Obiecte de automatizare și caracteristicile acestora

Obiecte de automatizare (obiecte de control) — sunt instalații separate, mașini de tăiat metal, mașini, agregate, dispozitive, complexe de mașini și dispozitive care trebuie controlate. Ele sunt foarte diverse ca scop, structură și principiu de acțiune.

Obiectul automatizării este componenta principală a sistemului automat, care determină natura sistemului, prin urmare se acordă o atenție deosebită studiului acestuia. Complexitatea unui obiect este determinată în principal de gradul de cunoaștere a acestuia și de varietatea funcțiilor pe care le îndeplinește. Rezultatele studiului obiectului trebuie prezentate sub forma unor recomandări clare privind posibilitatea automatizării totale sau parțiale a obiectului sau absența condițiilor necesare pentru automatizare.

Caracteristicile obiectelor de automatizare

Proiectarea unui sistem de control automat trebuie să fie precedată de o inspecție a șantierului pentru a stabili relațiile cu șantierul. În general, aceste relații pot fi reprezentate ca patru seturi de variabile.

O tulburare controlată, a căror colecție formează vectorul L-dimensional H = h1, h2, h3, ..., hL... Ele includ variabile măsurabile care depind de mediul extern, precum indicatorii de calitate ai materiilor prime din turnătorie, cantitatea a aburului consumat în cazanul de abur, debitul de apă în încălzitorul instantaneu de apă, temperatura aerului din seră, care variază în funcție de condițiile de mediu externe și de factorii care influențează procesul. Pentru perturbații controlate, se pun limitări asupra condițiilor tehnologice.

Indicatorul procesului tehnologic de controlat se numește mărime controlată (coordonată), iar mărimea fizică prin care este controlat indicatorul procesului tehnologic se numește acțiune de control (cantitate de intrare, coordonată).

Acțiuni de control, a căror totalitate formează un vector n-dimensional X = x1, x2, x3, ..., xn... Sunt independente de mediul extern și au cel mai semnificativ impact asupra procesului tehnologic. Cu ajutorul lor, cursul procesului este schimbat intenționat.

Pentru a controla acțiunile includ pornirea și oprirea motoarelor electrice, încălzitoarelor electrice, actuatoarelor, poziția supapelor de control, poziția regulatoarelor etc.

Variabile de ieșire, a cărui mulțime formează vectorul de stare M-dimensional Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Aceste variabile sunt rezultatul obiectului, care caracterizează starea acestuia și determină indicatorii de calitate ai produsului finit .

Influențe perturbatoare necontrolate, a căror colecție formează vectorul G-dimensional F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Acestea includ astfel de perturbații care nu pot fi măsurate dintr-un motiv sau altul, de exemplu din cauza lipsei senzorilor.

Orez. 1.Intrări și ieșiri ale obiectului de automatizare

Studierea relațiilor considerate ale obiectului de automatizat poate duce la două concluzii diametral opuse: există o dependență matematică strictă între variabilele de ieșire și de intrare ale obiectului sau nu există nicio dependență între aceste variabile care să poată fi exprimate printr-un calcul matematic de încredere. formulă.

În teoria și practica controlului automat al proceselor tehnologice, s-a acumulat suficientă experiență în descrierea stării unui obiect în astfel de situații. În acest caz, obiectul este considerat una dintre verigile din sistemul de control automat. În cazurile în care relația matematică dintre variabila de ieșire y și acțiunea de intrare de control x a obiectului este cunoscută, se disting două forme principale de înregistrare a descrierilor matematice - acestea sunt caracteristicile statice și dinamice ale obiectului.

Caracteristica statică în formă matematică sau grafică exprimă dependenţa parametrilor de ieşire de intrare. Relațiile binare au de obicei o descriere matematică clară, de exemplu, caracteristica statică a dozatoarelor de cântărire pentru materiale turnate are forma h = km (aici h este gradul de deformare a elementelor elastice; t este masa materialului; k este factorul de proporționalitate, care depinde de proprietățile materialului elementului elastic).

Dacă există mai mulți parametri variabili, nomogramele pot fi folosite ca caracteristici statice.

Caracteristica statică a obiectului determină formarea ulterioară a țintelor de automatizare. Din punct de vedere al implementării practice în turnătorie, aceste obiective pot fi reduse la trei tipuri:

• stabilizarea parametrilor inițiali ai obiectului;

• modificarea parametrilor de ieșire conform unui program dat;

• modificarea calității unor parametri de ieșire atunci când condițiile procesului se modifică.

Cu toate acestea, o serie de obiecte tehnologice nu pot fi descrise matematic din cauza multitudinii de factori interrelaționați care afectează cursul procesului, a prezenței factorilor necontrolați și a lipsei de cunoaștere a procesului. Astfel de obiecte sunt complexe din punct de vedere al automatizării. Gradul de complexitate este determinat de numărul de intrări și ieșiri ale obiectului. Astfel de dificultăți obiective apar în studiul proceselor reduse prin transferul de masă și căldură. Prin urmare, în automatizarea lor sunt necesare ipoteze sau condiții, care ar trebui să contribuie la scopul principal al automatizării — creșterea eficienței managementului prin apropierea maximă a modurilor tehnologice de cele optime.

Pentru a studia obiectele complexe se folosește o tehnică, care constă într-o reprezentare condiționată a unui obiect sub forma unei „cutii negre”. În același timp, sunt studiate doar conexiunile externe și nici nu se ține cont de structura matinală a sistemului, adică studiază ce face obiectul, nu cum funcționează.

Comportamentul obiectului este determinat de răspunsul valorilor de ieșire la modificările valorilor de intrare. Instrumentul principal pentru studierea unui astfel de obiect este metodele statistice și matematice. Metodologic, studiul obiectului se realizează în felul următor: se determină parametrii principali, se stabilește o serie discretă de modificări ale parametrilor principali, se modifică artificial parametrii de intrare ai obiectului în cadrul seriei discrete stabilite, toate modificările în ieșiri sunt înregistrate și rezultatele sunt prelucrate statistic .

Caracteristici dinamice un obiect de automatizare este determinat de o serie de proprietăți, dintre care unele contribuie la un proces de control de înaltă calitate, altele îl împiedică.

Dintre toate proprietățile obiectelor de automatizare, indiferent de varietatea lor, se pot distinge principalele, cele mai caracteristice: capacitatea, capacitatea de auto-aliniere și întârziere.

Capacitate este capacitatea unui obiect de a acumula mediul de lucru și de a-l stoca în obiect. Acumularea de materie sau energie este posibilă datorită faptului că există o rezistență de ieșire în fiecare obiect.

Măsura capacității obiectului este coeficientul de capacitate C, care caracterizează cantitatea de materie sau energie care trebuie furnizată obiectului pentru a modifica valoarea controlată cu o unitate în dimensiunea de măsurare acceptată:

unde dQ este diferența dintre afluxul și consumul de materie sau energie; ru — parametru controlat; este timpul.

Mărimea factorului de capacitate poate fi diferită în funcție de dimensiunile parametrilor controlați.

Rata de modificare a parametrului controlat este cu cât este mai mică, cu atât factorul de capacitate al obiectului este mai mare. Rezultă că este mai ușor să controlezi acele obiecte ai căror coeficienți de capacitate sunt mai mari.

Autonivelare Aceasta este capacitatea unui obiect de a intra într-o nouă stare de echilibru după o perturbare fără intervenția unui dispozitiv de control (regulator).Obiectele care au auto-aliniere se numesc statice, iar cele care nu au această proprietate sunt numite neutre sau astatice. . Auto-alinierea contribuie la stabilizarea parametrului de control al obiectului și facilitează funcționarea dispozitivului de control.

Obiectele autonivelante sunt caracterizate de un coeficient (grad) de autonivelare, care arată astfel:

În funcție de coeficientul de autonivelare, caracteristicile statice ale obiectului iau o formă diferită (Fig. 2).

Dependența parametrului controlat de sarcină (perturbare relativă) la diferiți coeficienți de autonivelare: 1-autonivelare ideală; 2 — autonivelare normală; 3 — lipsa autonivelării

Dependența 1 caracterizează un obiect pentru care valoarea controlată nu se modifică sub nicio perturbare, un astfel de obiect nu are nevoie de dispozitive de control. Dependența 2 reflectă auto-alinierea normală a obiectului, dependența 3 caracterizează un obiect care nu are auto-aliniere. Coeficientul p este variabil, crește odată cu creșterea sarcinii și are în majoritatea cazurilor o valoare pozitivă.

O întârziere — acesta este timpul scurs între momentul dezechilibrului și începutul modificării valorii controlate a obiectului. Acest lucru se datorează prezenței rezistenței și impulsului sistemului.

Există două tipuri de întârziere: pură (sau de transport) și tranzitorie (sau capacitivă), care se adaugă la întârzierea totală a obiectului.

Întârzierea pură și-a primit numele deoarece, în obiectele în care există, are loc o modificare a timpului de răspuns al ieșirii obiectului în comparație cu momentul în care are loc acțiunea de intrare, fără a modifica amploarea și forma acțiunii. O instalație care funcționează la sarcină maximă sau în care un semnal se propagă la viteză mare are întârzierea netă minimă.

Întârzierea tranzitorie apare atunci când fluxul de materie sau energie învinge rezistențele dintre capacitatea obiectului.Este determinată de numărul de condensatori și de mărimea rezistențelor de transfer.

Întârzierile pure și tranzitorii degradează calitatea controlului; prin urmare, este necesar să ne străduim să reducem valorile acestora. Măsurile contributive includ amplasarea dispozitivelor de măsurare și control în imediata apropiere a obiectului, utilizarea elementelor sensibile cu inerție redusă, raționalizarea structurală a obiectului în sine etc.

Rezultatele analizei celor mai importante caracteristici și proprietăți ale obiectelor pentru automatizare, precum și metodele de cercetare a acestora, permit formularea o serie de cerințe și condiții, a căror îndeplinire garantează posibilitatea unei automatizări cu succes. Principalele sunt următoarele:

• descrierea matematică a relațiilor obiectelor, prezentată sub formă de caracteristici statice; pentru obiecte complexe care nu pot fi descrise matematic — utilizarea metodelor matematice și statistice, tabelare, spațiale și alte metode pentru a studia relațiile unui obiect pe baza introducerii anumitor ipoteze;

• construirea caracteristicilor dinamice ale obiectului sub formă de ecuații diferențiale sau grafice pentru studierea proceselor tranzitorii din obiect, ținând cont de toate proprietățile principale ale obiectului (capacitate, întârziere, autonivelare);

• utilizarea în obiect a unor astfel de mijloace tehnice care să asigure eliberarea de informații despre modificarea tuturor parametrilor de interes ai obiectului sub formă de semnale unificate măsurate de senzori;

• utilizarea dispozitivelor de acţionare cu acţionări controlate pentru controlul obiectului;

• stabilirea unor limite cunoscute în mod fiabil ale modificărilor perturbărilor externe ale obiectului.

Cerințele subordonate includ:

• determinarea condițiilor limită pentru automatizare în conformitate cu sarcinile de control;

• stabilirea de restricții privind cantitățile primite și acțiuni de control;

• calculul criteriilor de optimitate (eficiență).

Un exemplu de obiect de automatizare este o instalație pentru prepararea nisipurilor de turnare într-o turnătorie

Procesul de realizare a nisipurilor de turnare constă în dozarea componentelor inițiale, alimentarea acestora la malaxor, amestecarea amestecului finit și alimentarea acestuia la liniile de turnare, prelucrarea și regenerarea amestecului uzat.

Materiile prime ale celor mai comune amestecuri nisip-argilă în producția de turnătorie: amestec de deșeuri, nisip proaspăt (umplutură), argilă sau bentonită (aditiv liant), cărbune măcinat sau materiale carbonice (aditiv antiaderent), aditivi refractari și speciali (amidon). , melasă) și, de asemenea, apă.

Parametrii de intrare ai procesului de amestecare sunt costurile materialelor de turnare specificate: amestec uzat, nisip proaspăt, argilă sau bentonită, cărbune măcinat, amidon sau alți aditivi, apă.

Parametrii inițiali sunt proprietățile mecanice și tehnologice solicitate ale amestecului de turnare: rezistența uscată și umedă, permeabilitatea la gaz, compactarea, formabilitatea, fluiditatea, densitatea în vrac etc., care sunt controlate prin analize de laborator.

În plus, parametrii de ieșire includ și compoziția amestecului: conținutul de lianți activi și eficienți, conținutul de cărbune activ, conținutul de umiditate sau gradul de umectare al liantului, conținutul de particule fine - particule fine care absorb umiditatea și compoziția granulometrică a amestecului sau modulul de finețe.

Astfel, obiectul controlului procesului este compoziția constituentă a amestecului. Prin asigurarea unei compoziții optime a componentelor amestecului finit, determinată experimental, se poate realiza stabilizarea la un nivel dat a proprietăților mecanice și tehnologice ale amestecului.

Perturbațiile la care este supus sistemul de preparare a amestecului complică foarte mult sarcina de stabilizare a calității amestecului. Motivul perturbării este prezența unui flux de recirculare - utilizarea amestecului de deșeuri. Principalul scandal în sistemul de preparare a amestecului îl reprezintă procesele de turnare. Sub influența metalului lichid, în partea de amestec aflată în imediata apropiere a turnării și încălzită la temperaturi ridicate, apar modificări profunde în compoziția liantului activ, cărbunele și amidonul și tranziția lor într-o componentă inactivă.

Pregătirea amestecului constă în două procese consecutive: dozarea sau amestecarea amestecului, care asigură obținerea compoziției necesare a componentului, și amestecare, care asigură obținerea unui amestec omogen și îi conferă proprietățile tehnologice necesare.

În procesul tehnologic modern de preparare a amestecurilor de turnare, se folosesc metode continue de dozare a materiilor prime (de turnare), a căror sarcină este de a produce un flux continuu al unei cantități constante de material sau a componentelor sale individuale cu abateri ale debitului de la dat nu mai mult decât permis.

Automatizarea procesului de amestecare ca obiect de control se poate face cu următoarele:

• construcția rațională a sistemelor de preparare a amestecului, care să permită excluderea sau reducerea influenței perturbărilor asupra compoziției amestecului;

• utilizarea metodelor de dozare prin cântărire;

• crearea de sisteme de control conectate pentru dozarea cu mai multe componente, ținând cont de dinamica procesului (inerția și întârzierea mixerului), iar componenta principală ar trebui să fie amestecul uzat, care are fluctuații semnificative în debitul și compoziția;

• controlul și reglarea automată a calității amestecului în timpul preparării acestuia;

• crearea de dispozitive automate pentru controlul complex al compoziției și proprietăților amestecului cu prelucrarea rezultatelor controlului pe computer;

• schimbarea în timp util a rețetei amestecului la schimbarea raportului amestec / metal în matriță și timpul de răcire a turnării înainte de lovire.