Основные  виды систем автоматизации 

  Управление  - это совокупность действий, направленных па поддержание или улучшение режима работы объекта.

  Управлять объектом может человек или техническое  устройство. В первом случае управление называется ручным, во втором - автоматическим. При описании устройства и принципа действия систем автоматизации применяются термины «автоматическое управление» и «автоматическое регулирование».

  Автоматическое  управление представляет собой процесс автоматического поддержания на заданных уровнях нескольких управляемых параметров объекта или изменение их по заданным законам (программам).

  Автоматическое  регулирование  - процесс автоматического поддержания на заданном уровне только одного управляемого параметра или изменение его по заданному закону (программе).

  В одних системах автоматизации функции  управления объектом полностью выполняют технические устройства, в других часть функций управления объектом выполняет человек, а часть - технические устройства. В связи с этим принято различать автоматические и автоматизированные системы.

  Система автоматического  управления (САУ) представляет собой систему автоматизации, которая автоматически управляет объектом по нескольким параметрам. В качестве примеров можно привести системы автоматического управления микроклиматом в животноводческих помещениях и овощехранилищах (системы автоматизации управляют температурой и влажностью воздуха), системы автоматического управления, которыми оснащены автогрейдеры, асфальтоукладчики (автоматически поддерживаются на заданных уровнях угол продольною и угол поперечного наклона рабочих органов).

  Автоматизированная  система управления (АСУ)    совокупность экономико-математических методов, технических средств (ЭВМ,   средств  связи,  устройств  отображения   информации и т. д.) и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (процессом) в соответствии с заданной целью. АСУ состоит из основы и функциональной части. В основу входят информационная база, техническая база, математическое обеспечение, экономико-математическая база. Функциональной частью является набор взаимосвязанных программ, автоматизирующих конкретные функции управления (планирование, финансово-бухгалтерскую деятельность и др.). Наиболее важной целью АСУ является повышение эффективности управления объектом (производственным, административным и др.) на основе роста производительности труда и совершенствования методов планирования и регулирования процесса управления. Различают АСУ: технологическими процессами - АСУ ТП, предприятием - АСУП, отраслью - ОАСУ, а также функциональные автоматизированные системы, например проектирования, плановых расчетов, материально-технического снабжения и др. Автоматизированные системы применяются для управления технологическими процессами на животноводческих комплексах с использованием диспетчера-оператора. Отдельные операции, например дозирование, приготовление кормов, их раздача, доение, учет надоя, удаление навоза, взвешивание животных и т. д., выполняются в автоматическом режиме, без участия оператора в управлении. Другие операции, например сбор информации, ее обработка на ЭВМ, принятие решений по изменению программы управления отдельными операциями, согласование оперативных данных с руководством комплекса и хозяйства и т. д., выполняются диспетчером-оператором для обеспечения оперативного управления. В распоряжении диспетчера имеются следующие технические средства:

• табло сигнализации (мнемоническая схема), обеспечивающее подачу световых сигналов о включении машин, установок и поточных технологических линий. По табло диспетчер определяет процессы, которые сбиваются с установившегося графика, и принимает меры по ликвидации нарушения;
• переговорное устройство, позволяющее осуществлять двустороннюю связь с подразделениями и специалистами комплекса и проводить оперативные совещания без отхода от рабочего места;
• автоматическая телефонная станция, обеспечивающая спя и. диспетчера, начальника и специалистов комплекса с внешними организациями;
• радиосвязь с мобильными кормозаготовительными, гране портными и ремонтными бригадами;
• телевизионные установки для визуального контроля за ходом технологических процессов, работой обслуживающего персонала и состоянием животных.

  При четком оперативном руководстве  устраняются длительные простои оборудования, машин и технологических линий, сокращаются сроки проведения технических осмотров, плановых и аварийных ремонтов, заготовки кормов и за счет этого повышается качество и эффективность работы специалистов, улучшаются технико-экономические показатели комплекса.

  Система автоматического  регулирования  (САР) представляет собой систему автоматизации, которая автоматически управляет объектом только по одному параметру. В одних системах автоматического регулирования управляемый параметр поддерживается на заданном уровне с незначительными отклонениями от заданного значения, в других он имеет два заданных значения (уровня) и изменяется от х_min до х_max. Например, в системе автоматизации (параграф 11.4), которой оснащены теплогенераторы типа ТГ, минимально рекомендуемое отклонение температуры от заданного значения должно составлять 1,5... .. .2 °С. В системах водоснабжения ферм предел изменения уровня воды в напорном резервуаре весьма значительный, т. с. задается минимальный уровень Н\ и максимальный Н₂. В безбашенных насосных установках ВУ задаются два значения давления воздуха в воздушно-водяном резервуаре: максимальное и минимальное.

  Система автоматического  контроля (САК) - система автоматизации, которая обеспечивает автоматическое измерение параметров объекта с целью установления их отклонений оч за данных или номинальных значений. Примером может служить система автоматического контроля частоты вращения рабочих органов зерноуборочных комбайнов «Дон». Автоматический

контроль  в таких системах автоматизации  сочетается, как правило, с автоматической сигнализацией.

  Система автоматической сигнализации (САС) — система автоматизации, которая обеспечивает автоматическое оповещение обслуживающего персонала об отклонениях параметров объекта от его заданных (номинальных) значений. В системах автоматизации используется световая, звуковая или комбинированная автоматическая сигнализация.

  Автоматическая  сигнализация может совмещаться  не только с системами автоматического  контроля, но и с другими системами автоматизации. Например, в системе автоматического регулирования уровня воды в башенной водокачке используется автоматическая сигнализация, которая световым сигналом ламп визуально отмечает изменение уровня воды в резервуаре. Совместно с системой автоматического регулирования температуры воды, используемой в установке ВЭТ-200, применяется звуковая сигнализация, которая оповещает обслуживающий персонал о максимальной температуре нагрева воды и т. д. 

Понятие системы автоматизации и ее структура

  Автомат (от греч. - самодействующий) - устройство (совокупность устройств), выполняющее по заданной программе без непосредственного участия человека все операции в процессах получения, преобразования, передачи и распределения (использования) энергии, материалов или информации. Программа автомата задается в его конструкции (часы, торговый автомат) или извне - посредством перфокарт, магнитных лент и т. п. (ЭВМ, станок с программным управлением), копировальными или моделирующими устройствами (АВМ, следящая система, интерполятор).

  Аналоговая  вычислительная машина (АВМ) обрабатывает информацию, представленную в аналоговой (непрерывной) форме, посредством воспроизведения характерных для данного класса задач соотношений между непрерывно изменяющимися физическими величинами - аналогами исходных данных.

  Интерполятор  (от лат. т*егро1о - переделываю) - аналоговое или цифровое вычислительное устройство для нахождения

координат точки, движущейся непрерывно по кривой, заданной аналитически. Применяется  как управляющее устройство в  технических системах с программным управлением.

  Следящая  система - система автоматического регулирование ^управления), в которой регулируемая (выходная) величина с помощью обратной связи воспроизводит с определенной точностью задающую (входную) величину, изменяющуюся по неизвестному заранее закону. Используется в измерительной технике, следящих электроприводах, системах наведения ракет ит. д.

  Следящий  электропривод  обеспечивает воспроизведение механических перемещений контролируемого или управляемого объекта посредством исполнительного электродвигателя. Он включает задающее устройство, измерительный преобразователь, орган сравнения, усилитель и исполнитель - двигатель. Применяется в системах автоматического управления, передачи информации и измерения.

  Создание  и использование автоматов - новый, более высокий этап машинного  производства, называемый автоматизацией. Автоматизация развивается на базе механизации и электрификации сельскохозяйственного производства.

  Система автоматизации - это устройство, состоящее  из объекта регулирования и автоматического регулятора. Содержание системы автоматизации рассматривается на примере системы автоматического регулирования, представленной в общем виде следующей структурной схемой (рис. 2.1).

  Буквенные символы на рис. 2.1 имеют следующие  значения: ОР - объект регулирования; АР - автоматические регулятор; и(1) - управляющее воздействие; - нагрузка; х(() - управляемый параметр объекта; () - помеха (возмущающие воздействия); х₀(() - заданное значение управляемого параметра; г(() -отклонение действительного значения регулируемого параметра от его заданного значения.

  Автоматический  регулятор - это совокупность технических средств (устройств), обеспечивающих заданное значение управляемого параметра.

  Возмущающие воздействия (параграф 1.4) действуют  на объект регулирования таким образом, что выводят его из равновесия, т. е. регулируемый параметр объекта отклоняется от его заданного значения. Автоматический регулятор постоянно следит за регулируемым параметром объекта и, измеряя его действительное значение, сравнивает с заданным. В случае возникновения отклонения е(() вступают в работу все функциональные элементы автоматического регулятора. В результате вырабатывается управляющее воздействие и{1) и нейтрализуется возникшее отклонение между действительным значением регулируемого параметра и его заданным значением, т. е. объект регулирования возвращается в равновесное заданное состояние. В системах автоматического регулирования действует один канал, по которому проходит сигнал, пропорциональный изменению регулируемого параметра. Этот канал обозначен на функциональной схеме (рис. 2.1) линиями со стрелками, которые отражают направление прохождения сигнала в системе автоматизации.

  Канал в автоматическом регуляторе представляет собой непрерывный контур, образованный техническими средствами автоматизации (электрическими, гидравлическими, пневматическими, механическими), т. е. теми техническими средствами (элементами), из которых конструктивно выполнен регулятор. При работе регулятора последовательно срабатывают его элементы (далее, а также параграф 2.4), образуя канал для прохождения сигнала. 
 

Обратные  связи

    Обратной  связью (ОС) называется процесс передачи в системе автоматизации или ее некоторой части выходного сигнала обратно на вход.

    Обратная  связь весьма широко применяется  в автоматике, радиоэлектронике, технике. Она также широко используется при  объяснении многих общественных и биологических  явлений. Обратная связь действует  во всех живых организмах.

    Различают положительную и отрицательную, главную и местную, жесткую и гибкую обратные связи.

    Положительная обратная связь  - это процесс передачи в системе автоматизации или ее части выходного сигнала обратно на вход, в результате которого увеличивается входной сигнал.

    Отрицательная обратная связь  - это процесс передачи в системе автоматизации или ее части выходного сигнала обратно на вход, в результате которого уменьшается входной сигнал.

    Главная обратная связь - это связь в системе автоматизации между выходом и входом объекта, образующая замкнутый контур управления. Выходной сигнал управляемого параметра объекта проходит через все элементы функциональной структуры автоматического регулятора и возвращается на вход объекта.

    Местная обратная связь - это связь между выходом и входом любого функционального элемента или нескольких функциональных элементов автоматического регулятора. Местные обратные связи используются в системах автоматизации для улучшения их работы, а также для повышения устойчивости и точности, уменьшения ошибок и запаздывания в процессе работы. Иногда в литературе местные связи называют корректирующими элементами, что более полно раскрывает их сущность.

    Жесткая обратная связь  действует в системе автоматизации в переходном и установившемся режимах работы объекта.

    Гибкая  обратная связь  (изодромная, или упругая, связь, действует только в неустановившемся режиме работы объекта. Сначала гибкая связь осуществляется в системе автоматизации как жесткая, а затем ее действие ослабевает и исчезает в установившемся режиме.

    Сущность  обратной связи можно раскрыть на примере системы автоматического регулирования температуры теплоносителя в шахтной зерносушилке (рис. 1).

     Объектом  регулирования в системе автоматизации  является зерносушилка, а в состав автоматического регулятора входят терморезистор, измерительный мост, усилитель, электродвигатель с передаточным механизмом и заслонка , а также устройство обратной связи .

    Измерительный мост автоматического регулятора может  находиться во время работы зерносушилки в равновесном или неравновесном состоянии. Условие равновесия измерительного моста выражается равенством RR_ОС = R_ЭR_О и соответствует установившемуся режиму сушки, т. е. заданному значению температуры теплоносителя в сушилке. Основное свойство измерительного моста заключается в том, что при любом значении стабилизированного напряжения U_СТ источника питания его равновесное состояние соответствует отсутствию в диагонали ab электрического тока.

    Температура теплоносителя контролируется на входе  зерносушилки терморезистором. Резистором 4 устанавливается равновесное состояние измерительного моста, соответствующее заданному значению температуры теплоносителя. Измерительный мост питается от источника стабилизированного напряжения U_СТ.

    Чтобы понять сущность всех разновидностей обратных связей, необходимо рассмотреть два варианта работы зерносушилки: в первом варианте местная обратная связь отсутствует в автоматическом регуляторе, а во втором - в автоматический регулятор она вводится.

    Работа  зерносушилки без дополнительной обратной связи в автоматическом регуляторе заключается в следующем. При  пуске зерносушилки в работу в момент времени t₁ температура на ее входе соответствует температуре окружающей среды и равна Θ₁ (рис. 2). На этом рисунке пуск зерносушилки соответствует точке А. Температуру Θ₁ имеет также терморезистор. Поскольку Θ₁ < Θ₀, его сопротивление отличается от того сопротивления, которое соответствует заданной температуре теплоносителя Θ₀. Следовательно, мост разбалансирован и его равновесие нарушается. На выходе измерительного моста в его диагонали ab появляется электрический сигнал разбаланса определенной полярности и во входной цепи усилителя протекает ток определенного направления. Усилителем 6 этот сигнал усиливается до значения, достаточного для включения электродвигателя, который через передаточный механизм поворачивает заслонку. Приток горячего воздуха увеличивается и повышается температура теплоносителя в зерносушилке. Через некоторое время температура в месте установки заслонки достигает заданной. Но терморезистор еще не реагирует на эту температуру в силу инерционности и некоторой удаленности от заслонки (проявляется одно из свойств объекта - транспортное и емкостное запаздывание). Электродвигатель продолжает поворачивать заслонку и останавливается с некоторым запаздыванием. Температура теплоносителя превышает заданное значение и достигает значения, соответствующего точке В. В результате сопротивление терморезистора будет соответствовать максимальной температуре теплоносителя. В силу этого изменяется полярность сигнала разбаланса измерительного моста и ротор двигателя начнет вращаться в обратную сторону, перемещая также заслонку в обратном направлении. Приток холодного воздуха увеличивается, и температура теплоносителя понижается, достигая точки С, в силу проявления свойств запаздывания объекта и инерционности терморезистора. Затем характер изменения температуры повторяется, и в системе автоматического регулирования возникают периодические колебания температуры (график 1), называемые автоколебаниями.

     Управляемым (выходным в системе автоматизации) параметром объекта является температура, которая в процессе работы зерносушилки постоянно изменяется и отличается от ее заданного значения. Таким образом, возникает отклонение между действительным значением температуры и ее заданным значением  ∆Θ = Θ_i - Θ₀. Пропорционально отклонению температуры ∆Θ появляется сигнал в виде изменения электрического сопротивления терморезистора, который, претерпевая изменения, проходит через все функциональные элементы автоматического регулятора. Последним его функциональным элементом является заслонка, которая, изменяя соотношение между количеством горячего и холодного воздуха, вводит в объект определенное количество тепловой энергии, необходимой для стабилизации температуры в сушилке.

    Проведенный анализ первого варианта работы системы  автоматического регулирования позволяет установить с учетом ранее описанных определений обратных связей, что в такой системе автоматизации действует главная обратная связь.

    Поскольку главная обратная связь действует  от начала пуска зерносушилки до ее установившегося режима, т. е. в переходном режиме, и в установившемся режиме, то она является жесткой.

    Чтобы установить, отрицательной или положительной  является главная обратная связь в системе автоматизации, достаточно провести некоторый анализ установившегося режима работы зерносушилки, представленного участком t₂ t ₃ графика 1 (рис. 2). Характерной особенностью является изменение температуры около ее заданного значения с некоторой амплитудой.

При отклонении температуры от заданной в любую  сторону автоматический регулятор вырабатывает управляющее воздействие такого значения, которое нейтрализует это отклонение. Следовательно, изменение управляемого (выходного) параметра объекта передается обратно на вход так, что автоматический регулятор нейтрализует возникающие отклонения управляемого параметра от заданного значения. Значит, главная обратная связь является отрицательной.

  Для устранения автоколебаний температуры  достаточно использовать в системе автоматизации местную обратную связь (корректирующее устройство). Корректирующие устройства обычно служат для улучшения основного процесса работы системы автоматизации, повышения его устойчивости и точности, уменьшения ошибок и запаздывания. В данной системе автоматизации обратная связь вводится путем соединения ротора двигателя через его передаточный механизм с ползунком резистора 5. Ползунок резистора R_oc переменного сопротивления соединяется механической связью, например, с выходным органом передаточного механизма электродвигателя и перемещается синхронно вращению ротора электродвигателя. Это соответствует передаче выходного сигнала ротора двигателя (передаточного механизма) обратно на измерительный мост, т. е. на вход одного из функциональных элементов автоматического регулятора.

    После использования корректирующего  устройства система автоматизации  работает следующим образом. Пусть  в момент пуска зерносушилки температура  на ее входе соответствует значению Θ₁ Следовательно, мост разбалансирован, возникает электрический сигнал определенной полярности в диагонали ab измерительного моста и ротор двигателя поворачивается в направлении увеличения притока горячего воздуха. Одновременно перемещается ползунок резистора 5 и изменяется его сопротивление.

    Равновесие  измерительного моста наступает  раньше, чем при отсутствии местной  обратной связи. Следовательно, быстрее  протекает переходный процесс в  зерносушилке и быстрее устанавливается заданный тепловой режим сушки материала. Ротор электродвигателя останавливается раньше достижения задание го значения температуры. Переходный процесс прекращается тот момент, когда разность температур Θ_i - Θ₀ (Θ_i - текущее значение температуры) станет меньше зоны нечувствительности автоматического регулятора. График изменения температуры во времени (рис. 2.4) соответствует кривой 2.

    Введение  в систему автоматизации корректирующего  устройства возвращает некоторую часть выходного сигнала передаточного механизма электродвигателя на ползунок резистора R_oc измерительного моста. Сигнал возврата действует внутри автоматического регулятора. Поэтому введенная обратная связь является местной.

    Сравнивая оба варианта работы зерносушилки путем  сопоставления двух графиков на рис. 2, видим, что местная обратная связь действительно улучшает качество процесса сушки. Так, в первом варианте, т. е. без местной обратной связи, при значительном амплитудном отклонении температуры от заданного значения возникает значительное увеличение температуры в течение некоторого времени. В связи с этим возможен перегрев зерна. В другом варианте температура меньше заданной и возможно недосыхание зерна.

    Совершенно  по-иному протекает процесс сушки  после введения местной обратной связи. Температура теплоносителя поддерживается постоянной с небольшим отклонением от заданного значения. Зерно равномерно высушивается и исключается возможность его перегрева.

    Чтобы установить, отрицательной или положительной  является местная обратная связь в автоматическом регуляторе, необходимо провести анализ работы зерносушилки после введения корректирующего устройства. Например, в качестве терморезистора используется полупроводниковый термистор, сопротивление которого с ростом температуры изменяется согласно графику на рис. 3.   

Рис. 3. Зависимость сопротивления термистора от температуры 

    Одновременно  с изменением отклонения ∆Θ автоматический регулятор вырабатывает адекватное этому отклонению управляющее воздействие и(t), которое обеспечивает, действуя на заслонку, подачу необходимого количества тепловой энергии в зерносушилку и стабилизацию нарушенного равновесного состояния. Сигнал, адекватный ∆Θ, проходит по каналу главной обратной связи, а часть его возвращается в измерительный мост, который достаточно быстро уравновешивается. Это стабилизирует режим работы зерносушилки путем нейтрализации отклонения температуры от ее заданного значения.

    Из  проведенного анализа работы системы  автоматизации с корректирующим устройством следует, что местная  обратная связь отрицательная. Наряду с этим местная обратная связь  является жесткой, так как действует в неустановившемся и в установившемся режимах работы зерносушилки.

Схемы систем автоматизации

       Проектирование систем автоматизации  выполняется в зависимости от  сложности объектов в одну  или две стадии, в обоих случаях  наряду с другими материалами  строят структурные, функциональные, принципиальные схемы, монтажные  чертежи, схемы соединении.

    При разработке проекта автоматизации  и первую очередь решаются вопросы  выбора структуры управления. Под  структурой управления понимается совокупность автоматической системы, на которые  она может быть разделена по определенному  признаку, а также пути передачи пo воздействий между ними. Графическое изображение структуры управления объектом называется структурной схемой.

       Выбор структуры управления объектом  автоматизации оказывает существенное  влияние на режим работы, снижение  относительной стоимости системы  управления се надежности и  т. д.

       В самом общем виде структурная  схема споем автоматизации может  быть представлена. Система автоматизации  состоит из объекта автоматизации  и системы управления объектом. В одной системе автоматизации  системой управления является  автоматический регулятор, в другой  два автоматических регулятора. Благодаря определенному взаимодействию  между объектом и системой  управления в каждом случае  система автоматизации обеспечивает  требуемый результат функционирования  каждого объекта, характеризующийся  управляемыми параметрами х((). Структурная схема в общем виде может быть конструктивно детализирована, т. е. раскрыта с точки зрения наличия в конструкции автоматического регулятора элементов функциональной структуры, и изображаться в развернутом виде.

       Построение развернутой структурной  схемы автоматизации сводится  к выделению из автоматического  регулятора элементов по соответствующим  функциональным признакам, определению  физической природы их входных  и выходных параметров, условному  графическому обозначению элементов  с указанием направления передачи  сигнала от одного элемента  к другому.

    Один  из элементов функциональной структуры  автоматического регулятора, называемый сравнивающим, изображается в виде окружности с секторами внутри, а  все остальные элементы прямоугольниками. Существующие связи между элементами функциональной структуры обозначаются линиями со стрелками, которые соответствуют  направлению прохождения сигнала. Внутреннее содержание каждого элемента не конкретизируется. Однако каждый элемент  обозначается буквенным кодом, в  котором используются первые буквы  названия функционального элемента.

       Примером развернутой структурной  схемы автоматизации, построенной  применительно к САР температуры в шахтной зерносушилке, может служить схема, изображенная на рис. 2.6, а также другие схемы, представленные на рис.

    Рис. 4. Структурная схема САР температуры  в шахтной зерносушилке в развернутом  виде; ОР - объект регулирования (шахтная  зерносушилка); ЧЭ - чувствительный элемент (терморезистор); СЭ - сравнивающий элемент (измерительный мост); ЗЭ - задающий элемент (резистор переменного сопротивления  Я3); УО - усилительный орган (усилитель  мощности); ИМ - исполнительный механизм (электродвигатель с передаточным устройством  и цепью управления); РО - регулирующий орган (заслонка); КЭ - корректирующий элемент, обеспечивающий перемещение ползунка резистора Roc (местная обратная связь) 

        Развернутая структурная схема  наглядно отображает обратные  связи в указанной системе  автоматизации. Началом главной  обратной связи является сигнал, пропорциональный температуре теплоносителя  в зерносушилке 9 (рис. 2.6). Далее л проходит через все элементы автоматического регулятора в объект регулирования в виде управляющего воздействия u(t),- вырабатываемого автоматическим регулятором. Управляющее воздействие определяет положение заслонки п соответственно количество теплоты Q, поступающем в зерносушилку.

       Местная обратная связь действует  внутри автоматического регулятора, охватывая несколько элементов  функциональной структуры. Началом  обратной связи является входной  сигнал сравнивающего элемента. Этот сигнал проходит через  соответствующие элементы и возвращается  в сравнивающий элемент в виде  изменения сопротивления.