Выбор приборов и средств автоматизации

Выбору промышленных приборов и средств автоматизации предшествует определение необходимого состава и составление функциональной схемы автоматизации технологического процесса (объекта), исходя из принятого принципа регулирования (управления), функциональных задач, которые должна выполнять система, и конструктивных особенностей серийных приборов.

При определении состава функциональной схемы необходимо руководствоваться следующим порядком действий:

а) определяются возможные варианты использования сигнала датчика.
Информация от датчика (чувствительного элемента) может использоваться несколькими системами контроля и регулирования. В современных системах сигнал датчика часто вводится непосредственно в управляющую вычислительную машину. Это вызывает необходимость выбирать датчики с несколькими выходными преобразователями и комплектовать их первичными приборами с высокоомным усилителем.

б) анализируется возможность использования в системе автоматизации
единого сигнала связи (например, сигнала постоянного тока 4…20 мА). Если современные технические средства контроля и регулирования не дают возможности использовать единый сигнал связи по выбранному каналу управления, то необходимо ввести в состав системы автоматизации нормирующий преобразователь (например, преобразователь напряжения переменного тока 0…1 В в сигнал постоянного тока 4…20 мА).

в) определяется состав информационной аппаратуры (вторичных приборов, сигнальных устройств и др.), устанавливаемой по месту измерения и регулирования, на операторском пульте, на местном щите управления и
т.д.

г) исходя из функций системы автоматизации и иерархического структурного построения системы определяется наличие ключей, кнопок управления, источников питания, блоков или пультов управления и т.д.

д) в зависимости от количества регулирующих органов, на которые будет воздействовать система регулирования, определяется соответствующее количество аппаратуры для реализации команд управления (магнитных пускателей, исполнительных механизмов и т.д.).

е) на основе характеристики условий работы проектируемой системы автоматизации выбирается соответствующая ветвь средств автоматизации (электрическая, пневматическая, гидравлическая). Кроме того, необходимо учитывать эксплуатационную надежность элементов системы в данной среде, возможность реализации системы с минимальными затратами, необходимое быстродействие, протяженность каналов связи от датчика и до исполнительного механизма, используемый на данном предприятии или принятый в проекте автоматизации род энергии и т.д.

После определения состава функциональной схемы автоматизации следует приступить к выбору отдельных элементов (комплектованию системы) [1,2].

Рассмотрим подробнее выбор средств автоматизации на примере датчика.

Выбор датчика

Выбор типа измерительного преобразователя определяется главным образом физической природой управляемой величины, диапазоном ее изменения, допустимой инструментальной погрешностью, требуемым сроком службы и условиями эксплуатации.

Диапазон измерения датчика выбирается с учетом минимальных и максимальных длительных значений регулируемой величины. Здесь необходимо учитывать, что необоснованно завышенный диапазон действия датчика снижает точность контроля (измерения).

Погрешность датчика не должна превышать допустимой погрешности
контроля (измерения) регулируемой величины, которая определяется технологией производства и погрешностью регулирования по выбранному каналу управления. В проектируемые системы необходимо закладывать датчики с классом точности, который определяется действительными требованиями объекта. Как известно, чем выше класс измерительного преобразователя, тем более сложной является его конструкция, тем выше стоимость и сложнее эксплуатация.

Условия пожаро–, взрывоопасности объекта и агрессивности окру-
жающей среды, а также требования к быстродействию, дальности передачи
сигналов информации и управления являются определяющими при выборе
вида энергии носителя сигналов (электрический, пневматический, гидравлический) в канале связи. Так, для пожаро- и взрывоопасных технологических процессов (установок) в большинстве случаев следует применять пневматические средства автоматизации; при высоких требованиях к быстродействию и значительных расстояниях между источниками и приемниками сигналов информации используют, как правило, электрические и комбинированные технические средства.

в процессе выбора датчика также необходимо учитывать характеристики контролируемой и окружающей сред (температуру, влажность, давление, агрессивность и т.д.), в которых придется работать датчику. Также учитываются условия, в которых находится контролируемый параметр (в трубопроводах, в открытых емкостях под атмосферным давлением, в закрытых емкостях под избыточным давлением и т.д.). В зависимости от этих условий и характеристик выбирают исполнение датчика (искробезопасное, влагонепроницаемое, вибростойкое, взрывозащищенное и др.).

При выборе датчика следует также установить условия, необходимые
для нормальной работы выбранного датчика, обеспечивающие паспортные параметры датчика в предлагаемом месте его установки. Так, для обеспечения нормальной работы диафрагменного расходомера объемного расхода необходимо иметь длину прямолинейного участка трубопровода 10 D до и 20 D после расходомера, где D – диаметр трубопровода. Для нормальной работы щелевого расходомера объемного расхода важно обеспечить перепад высот (уровней) трубопровода и т.д.

В ряде случаев следует учитывать электромагнитную (магнитную) совместимость датчика с другими элементами системы и технологического оборудования.

Немаловажное значение имеет стоимость датчика, зависящая от сложности его изготовления, стоимости чувствительного элемента, протяженности необходимых линий связи и масштабов производства (крупносерийные изделия предпочтительнее).

Наконец, необходимо учитывать также фактор морального устаревания
технических средств за промежуток времени между созданием проекта системы автоматики и его воплощением, что вынуждает предъявлять более жесткие требования в отношении новизны и перспективности применяемых датчиков и других технических средств.

В качестве примера рассмотрим выбор датчика угловой скорости (частоты вращения) для системы автоматического регулирования электропривода технологической машины. Подобные задачи приходится решать достаточно часто как разработчикам нового оборудования, так и системным интеграторам – проектировщикам автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

В настоящее время для измерения угловой скорости вращающихся объектов широко используются измерительные преобразователи, созданные на основе различных физических принципов.

Условно их можно разделить на датчики с цифровым выходным сигналом и аналоговые датчики с выходной ЭДС постоянного либо переменного тока.

Ко второй группе преобразователей относят тахогенераторы постоянного тока, индукторные, синхронные и асинхронные.

Как известно, тахогенераторы в последние годы в значительной мере вытесняются энкодерами (шифраторами) инкрементальными и абсолютными. И все же в тех случаях, когда нет необходимости в высокой точности (точность измерения с помощью тахогенераторов лежит в диапазоне 0,5…2,5 %; для прецизионных тахогенераторов ошибка может составлять 0,05…0,1 %, дополнительная погрешность от изменения температуры в широком диапазоне – 0,4%) и повышенной чувствительности (для тахогенераторов постоянного тока чувствительность составляет 15…25 мВ/(об/мин), для асинхронных – 2…5 мВ/(об/мин)), а динамические свойства объекта сопоставимы с соответствующими характеристиками тахогенераторов, можно рекомендовать применение относительно недорогих тахогенераторов переменного тока.

К преимуществам измерительных электрических машин следует отнести большую величину выходного напряжения, что позволяет обходиться без дополнительного усилителя при передаче сигнала на значительные расстояния. Так, выходное напряжение тахогенераторов постоянного тока достигает 50 В, а асинхронных тахогенераторов в зависимости от типа – 10…60 В. Кроме того, на показания тахогенераторов практически не оказывает влияния внешнее электромагнитное поле, исходящее от объекта, что в значительной степени определяет их помехоустойчивость.

Однако при регулировании угловой скорости в автоматизированном электроприводе технологической машины, где важно обеспечить малую погрешность измерений, высокую чувствительность, стабильность характеристик во времени и минимальную инерционность, следует рекомендовать использование современных инкрементальных энкодеров (шифраторов приращений), которые характеризуются, в том числе, небольшими габаритными размерами (серия энкодеров BS(H)M фирмы Baumer electric имеет корпус диаметром всего 18 мм и длину 34 мм, масса датчика не превышает 100 г).

Обладая большим диапазоном измерения (максимальная частота вращения вала BS(H)M составляет 12000 об/мин), энкодеры имеют малую инерционность, которая определяется только массой вала. Кроме того, отсутствие подшипников и каких-либо трущихся деталей позволяют использовать энкодер с двигателями с высокими динамическими характеристиками, они могут быть установлены на шпиндели любых металлорежущих и деревообрабатывающих станков.

Энкодеры характеризуются также высокой разрешающей способностью и прецизионностью: для энкодеров серии BS(H)M количество импульсов на один оборот вала может составлять от 100 до 500 импульсов, а для магнитных абсолютных энкодеров MAGRES Kit Set производства той же Baumer electric – 512 либо 1024 имп. Выпускаются оптические инкрементальные энкодеры с разрешением, превышающим 15000 имп. на один оборот вала.

Таким образом, выбор датчика угловой скорости для системы автоматического регулирования электропривода технологической машины во многом определяется характеристиками объекта, требованиями к выходному сигналу датчика и ограничениями к измерительной системе по стоимости, включающей в себя, в том числе, затраты на средства измерения и средства передачи измерительной информации.