И.Г. Беляев, Н.Г.Курзенков, В.И. Седых, В.Н. Слесаренко АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ Учебник для студентов высших учебных заведений Владивосток 1999

Лекция 1

Электрические системы автоматики и контроля судовых технических средств

«Содержание дисциплины. Взаимосвязь с другими дисциплинами»

Цели: Определить необходимость повышения уровня автоматизации, в современных условиях развития флота. Взаимосвязь изучения автоматизации судна с другими дисциплинами.

Курсант должен:

Знать:

- Задачи автоматизации, которые ставят современные условия эксплуатации флота и способы их решения;

- Требования к подготовке специалистов, обслуживающих автоматизированные судовые системы;

- Функции, выполняемые средствами автоматизации;

- Объекты автоматизации, современных судовых устройств.

уметь:

- Определять степень автоматизации, как отдельного судового устройства, так и судна в целом;

Материал для изучения

ВВЕДЕНИЕ Современный этап обновления морского и рыбодобывающего флотов, когда решается комплекс задач, которые должны обеспечить судовладельцев высокоэффективными энергетическими установками, отвечающими требованиям наибольшей экономичности, экологической чистоты, а также условиям комфортности для экипажа и бесперебойную, с соблюдением санитарно-технических норм работу судового технологического оборудования, одним из основных направлений становятся проблемы комплексной автоматизации технологических процессов судовой энергетической установки.

За последние годы, как в отечественной, так и зарубежной практике появилось значительное количество судов с высокой степенью автоматизации, оборудование которых существенно отличается от ранее существовавших конструктивных решений. Это положение выдвинуло необходимость подготовки специалистов, ориентированных на эксплуатацию таких СЭУ.

Наличие новых средств автоматизации на судне и необходимость их оперативного восстановления в судовых условиях требует наличия соответствующего оборудования. В учебной литературе изложение эксплуатационных и ремонтно-технологических средств автоматизации рассматривается раздельно, что не способствует подготовке специалиста способного установить взаимосвязь между функциональными особенностями работы элементов, автоматизированных СЭУ.

Взаимодействующие в судовой энергетике средства автоматизации сложны, а комплектующие их регуляторы и контролирующие устройства подвержены в условиях эксплуатации частым выходам из строя. В силу связи с объектами регулирования (двигатели, котлы, теплообменники, и другие элементы СЭУ) нормальная работа автоматики полностью зависит от технического состояния основного оборудования судовой энергоустановки, поддержание которого в оптимальном режиме возможно, только при осуществлении периодических восстановительных и ремонтных операций. Комплексное рассмотрение автоматизации, наиболее совершенной формы управления и технологичности любых процессов, как с точки зрения их функционирования, так и надежности позволяет расширить спектр представлений о достигаемых при использовании средств автоматизации результатов.

Основные положения, на которые опираются все процессы автоматизации, заложены в современной теории автоматического регулирования, как начало теории управления, — составной части науки кибернетики. Наибольшие достижения получены в технической кибернетике, где установлены теоретические закономерности, описывающие действие сложных динамических систем управления технологическими и производственными процессами. Развитие кибернетики как науки и ее составляющих: автоматического управления и регулирования идет с одной стороны — по взаимодействию с создаваемыми новыми конструкциями агрегатов и установок при одновременном совершенствовании элементов автоматики и технологии их изготовления; с другой стороны — проектирование систем автоматики на базе наиболее эффективных элементов и разработка способов их настройки. Проектирование и эксплуатация систем автоматического управления и регулирования строятся на двух принципах.

Первый основан на анализе принимаемой применительно к данному объекту регулирования структурной схемы и установлению расчетом или моделированием ее параметров настройки.

Второй строится по методу синтеза и позволяет на основе заданных требований к системе получить наиболее приемлемую структуру и параметры.

Современная тенденция применения средств автоматизации судовой энергетики направлена на разработку и оснащение системами программного управления элементов СЭУ, решение задач контроля, регистрации; диагностирования технического состояния; защиты оборудования от аварий; борьбы за живучесть; вычисления непосредственно не измеряемых параметров; экранный способ представления информации; оптимизацию работы СЭУ. При этом используются микропроцессорная техника, цветные видеомониторы, многофункциональные кнопочные панели управления (суда типов "Академик Н. Вавилов", "И.Эренбург", "Пассаж" и другие).

 Средства автоматизации в современном представлении содержат большой комплекс взаимосвязанных систем, обеспечивающих автоматическое управление и регулирование операциями и процессами; сбор, обработку систематизацию и регистрацию информации о параметрическом и технологическом состоянии оборудования; защиту оборудования от отказов, повреждений и аварий; логическое управление всеми эксплуатационными операциями с соблюдением заданной последовательности; поддержания на оптимальном режиме работы всех элементов энергоустановки; уменьшение числа обслуживающего персонала при высокой надежности функционирования. Отличительной особенностью любых систем автоматики является то, что как процесс проектирования, так и их эксплуатация опираются на единую основу — теорию автоматического проектирования.

Система регулирования независимо от ее использования в технологическом процессе состоит из объекта регулирования и регулятора с комплектующими его элементами. Изменение возмущающих и управляющих воздействий поступающих, на входе в объект связывает отклонение регулируемых параметров. Система регулирования должна обеспечить такой закон регулирования, чтобы на выходе регулируемые параметры соответствовали заданным значениям. На конечный достигаемый результат при этом оказывают влияние случайные процессы, вызванные трением, помехами. Это требует от системы реализации такого закона регулирования, при котором влияние этих отклонений будет минимальным. Решение этих задач строится на теоретических положениях, позволяющих проанализировать устойчивость, качество и точность работы как линейных так и нелинейных систем регулирования. Расчет непрерывных линейных, дискретных и дискретно-непрерывных систем основывается на частотных методах и операционном исчислении. При проектировании нелинейных систем возникают трудности их анализа из-за, наличия режимов устойчивого, и неустойчивого характера и автоколебаний. Синтез систем регулирования, структурная схема и требования, к которым заданы, сводятся к определению ее параметров. Существующие в настоящее время методы позволяют решить задачу как для линейных, так и для не линейных систем. В судовой энергетике метод частотных характеристик начинает использоваться только в последние годы. Это объясняется тем, что отсутствовала соответствующая аппаратура и методика обработки данных, которые в настоящее время проработаны на базе современных ЭВМ. Определение настроечных параметров значительно проще производить по переходной функции, при нахождении которой экспериментальным путем и теоретическая обработка наиболее приемлемы. Однако системы автоматического регулирования СЭУ — это сложные системы. Объект регулирования для некоторых явлений характеризуется нелинейным распределением параметров. Нестационарный режим из-за непреднамеренных и случайных возмущений, действующих по многим каналам — обычное состояние объекта. Поэтому для проектирования системы регулирования математическое описание объекта и возмущений принципиально не может быть полным, и представляется в виде приближенного. Это говорит о невозможности спроектировать систему, которая будет функционировать по заданному закону и с необходимыми критериями количества после включения ее в работу. Для создания работоспособных систем наиболее оправданными следует признать расчетно-экспериментальную методику, предусматривающую корректировку исходных и проектным данных на основе специальных экспериментов. Создание системы автоматики складывается из трех составляющих: разработка, наладка и эксплуатация. При разработке, для получения характеристик объекта регулирования и управляющей системы, необходимых для решения задач синтеза САУ следует провести экспериментальное исследование. Такой же эксперимент необходим на стадии наладки, для отработки наладочных процедур и обучения персонала методам наладки. При эксплуатации такой эксперимент требуется для подналадки автоматики по мере износа и старения ее элементов и изменения условий эксплуатации работающего оборудования. Такой подход имеет место как для энергетических, так и ремонтно-технологических процессов. Экспериментальные исследования проводятся на действующем оборудовании или моделях. Сложные современные схемы автоматики затрудняют использования традиционных методов и становятся неэффективными и затруднительными. Натурные эксперименты требуют больших материальных затрат, характеризуются сложностью и эксплуатационными ограничениями. Моделирование связано с необходимостью получения соответствующих исходных данных, что также затрудняет его осуществление. Наиболее эффективным при отработке автоматизированных систем является разработка композиционных моделей, в состав которых входят компоненты, различающиеся по виду моделирования (натурное, физическое, аналоговое или вычислительное). Использование таких моделей позволяет создать различные типы экспериментальных установок, расширяющих область применения и объем проводимых экспериментов с системой автоматического регулирования как при ее разработке, так и эксплуатации. При разработке системы регулирования для соответствующего объекта на основе требуемых его эксплуатацией допущений составляют математическую модель системы и формирует ее структурную схему. Методика расчета модели (линейна, нелинейная) позволяет определить параметры системы регулирования, в соответствии с которыми будет обеспечена ее устойчивость и требуемое количество технологического процесса. Доводка параметров регулятора и настройка на оптимальный режим осуществляется в натурных условиях при изменении нагрузок, подвергаемых автоматизации объектов регулирования. Применительно к энергетическому и технологическому оборудованию обеспечение наиболее целесообразных законов регулирования достигается при включении в схему автоматики ЭВМ. Это позволяет создать экстремальные и самонастраивающиеся системы.

И.Г. Беляев, Н.Г.Курзенков, В.И. Седых, В.Н. Слесаренко АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ Учебник для студентов высших учебных заведений Владивосток 1999