книги / Технические средства автоматизации химических производств

гавсчник

Технические

средства

автоматизации

химических

производств

МОСКВА

«ХИМИЯ»

1991

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные химические производства характеризуются значитель­ ной сложностью и высокой интенсивностью технологических процес­ сов. Эффективное управление такими производствами основано на комплексной автоматизации технологических процессов, базирующей­ ся на широком использовании автоматических систем регулирования (АСР) и автоматических и автоматизированных систем управления (АСУ).

Для построения АСР и АСУ химических производств, реализующих достаточно сложные "интеллектуальные” алгоритмы и законы регули­ рования и управления, применяют разнообразные технические средст­ ва автоматизации (датчики, регуляторы, приборы, специализирован­ ные вычислительные устройства, управляющие ЭВМ, микроконтрол­ леры и т.п.), а также программные средства, обеспечивающие нужное функционирование ЭВМ и микроконтроллеров. Эти технические и программные средства существенно влияют на общую надежность и живучесть систем автоматизации, а также на их стоимость и рента­ бельность. Вместе с тем обоснованный выбор технических и програм­ мных средств, минимально необходимых для создания надежной и экономически эффективной системы автоматизации, представляет достаточно сложную задачу, так как номенклатура этих средств достигает нескольких тысяч наименований. При этом многие техни­ ческие и программные средства часто оказываются структурно или параметрически несовместимыми между собой в рамках единой системы автоматизации, что вынуждает дополнительно разрабатывать или выбирать согласующие интерфейсы сигналов, параметров, кон­ струкций.

Данное справочное пособие призвано в некоторой степени решить эту задачу. В нем содержатся сведения о принципах построения и функционирования серийных элементов, устройств, регуляторов, приборов, регулирующих микроконтроллеров и управляющих ЭВМ, в тех или иных масштабах применяемых для автоматизации химических производств. Рассмотрены также специализированные программно­ технические комплексы средств автоматики, созданные НПО ЦНИИКА и НПО "Химавтоматика” для целей комплексной автоматизации химических производств. Кратко описаны современные микропроцес­ сорные средства распределенных АСУ, разработанные рядом зарубеж­ ных фирм и применяемые совместными предприятиями для автомати­ зации химико-технологических процессов.

5

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

Глава 1

ОБЩИЕСВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

1Л. Типовые системы автоматизации химических производств

Современные химические производства представляют собой сово­ купность взаимосвязанных технологических аппаратов, реакторов и машин и реализуемых в них физико-химических и технологических процессов. Эффективность функционирования таких производств характеризуют набором технико-экономических или технологических критериев качества (показателей) - таких как себестоимость, к.п.д., степень превращения вещества, прибыль и т.п. Нормальное или безо­ пасное функционирование производств, а также оптимизацию крите­ риев качества обеспечивают системы управления (СУ), в состав кото­ рых могут входить разнообразные технические средства (датчики, приборы, регуляторы, вычислительные устройства с программами работы и т.п.) и управленческий персонал (операторы, аппаратчики, технологи и т.д.).

Любая СУдолжна выполнять следующие функции:

сбор информации о текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ);

определение критериев качества работы ТОУ; нахождение оптимального режима функционирования ТОУ и

оптимальных управляющих воздействий (управлений), обеспечиваю­ щих экстремум критериев качества;

реализацию найденного оптимального режима или оптимальных управлений на ТОУ.

Эти функции могут выполняться управленческим персоналом (оператором) и (или) техническими средствами системы управления. В зависимости от распределения "обязанностей” по выполнению этих функций между оператором и техническими средствами определяют уровень автоматизации управления ТОУ и различают четыре основных типа систем управления: информационные; автоматического управле­ ния; централизованного контроля и регулирования; автоматизирован­ ные системы управления технологическими процессами.

Информационные (не автоматизированные) системы управления. В таких системах получение информации о текущем состоянии ТОУ и отображение ее на вторичных приборах осуществляют технические средства. Оператор анализирует состояние ТОУ по показаниям прибо­ ров, интуитивно оценивает качество его функционирования, находит

8

Рис, 1,1, Структура информационной системы управления

Рис, 1,2, Структура системы автоматического управления

субъективно-оптимальные управления и реализует их вручную или с помощью дистанционно управляемых исполнительных механизмов.

Информационные системы управления применяют редко - для автоматизации сравнительно простых и надежно функционирующих ТОУ, состояние которых характеризуется небольшим числом коорди­ нат и легко оцениваемыми показателями качествами скалярного типа. Для построения таких систем (типовая структурная схема которых изображена на рис. 1.1) применяют технические средства ограничен­ ного состава: датчики Д (первичные измерительные преобразователи) для измерения координат ТОУ; нормирующие преобразователи сигна­ лов (НП); вторичные показывающие и регистрирующие приборы (П); устройства дистанционного управления (УДУ); исполнительные меха­ низмы (ИМ); регулирующие органы (РО); оборудование операторских пунктов управления ОПУ (щиты, пульты, управления, мнемосхемы (МС), устройства сигнализации (С) и связи и т.п.). В некоторых случаях в состав информационных систем управления входят регуляторы прямого действия и встроенные в технологическое оборудование регуляторы.

Системы автоматического управления (САУ). Эти системы обеспечи­ вают полную автоматизацию управления ТОУ; все функции сбора информации о состоянии объекта, вычисления критериев качества, нахождения наилучших режимов функционирования и оптимальных управлений их реализаций'выполняют технические средства. Опера­ тор не включен в контур обратной связи САУ и не принимает непос­ редственного участия в оперативном управлении ТОУ. Функции оператора заключаются в технической диагностике состояния САУ и восстановлении отказавших элементов системы. При наличии допол­ нительной информации о состоянии ТОУ оператор может эпизодически корректировать законы функционирования САУ, изменять задания, переводить управление с автоматического на ручное и т.п.

Несмотря на функциональное многообразие САУ, техническая структура их достаточно единообразна (рис. 1.2). Для построения САУ

9

применяют различные технические средства автоматизации (ТСА). В частности, для получения информации о ТП используют датчики (Д) и нормирующие преобразователи (НП), для ее преобразования и переда­ чи - кодирующие преобразователи (КП) (из одного вида носителя информации в другой или из одной формы информационного сигнала в другую) и линии связи ЛС (провода, трубопроводы). Определение критериев качества и нахождение оптимальных управлений в САУ осуществляют вычислительные устройства (ВУ). Для отображения информации используют преимущественно вторичные приборы (П), устройства сигнализации (С) и мнемосхемы (МС), размещенные на пультах и щитах управления в операторских пунктах управления (ОПУ). Командную информацию или управления реализуют на ТОУ исполнительные механизмы (ИМ) и регулирующие органы (РО).

Системы автоматического управления в химической промышлен­ ности применяют в ограниченных масштабах - для автоматизации сравнительно простых ТОУ, технологические режимы которых харак­ теризуются небольшим числом координат, а качество работы - одним легко вычисляемым критерием. Оптимальное управление в САУ нахо­ дят чаще всего в форме явной функциональной зависимости от выход­ ных координат ТОУ и действующих на него возмущений (нагрузок). Для определения оптимальных управлений часто используют неслож­ ные аналоговые вычислительные устройства, а в последние десятиле­ тия - цифровые вычислители.

Широкое применение САУ в химической промышленности сдержи­ вается недостаточной надежностью ТСА и, самое главное, трудностью или невозможностью представления оптимальных управлений как явной функции от измеряемых координат ТОУ.

Частым'случаем САУ являются автоматические системы регулиро­ вания (АСР). Такие системы применяют для автоматизации ТОУ, для которых за критерий качества принята одна или несколько выходных координат (например, концентрация целевого продукта, температура, давление и т.п.). В этом случае цель автоматизации заключается в нахождении управляющих воздействий, обеспечивающих экстремаль­ ное или заданное значение измеряемой выходной координаты ТОУ. Системы управления, автоматически поддерживающие экстремальное

автоматически поддерживает заданное значение выходной регулиру­ емой координаты ТОУ, она относится к классу АСР. Последние, в свою очередь, подразделяют на с т а б и л и зи р у ю щ и е , п р о г р а м м н ы е и с л е д я щ и е АСР. Для первых задание неизменно во времени, для вторых - известная функция времени, для третьих - неизвестная функция времени. В зависимости от числа измеряемых регулируемых координат различают одно- и многоконтурные (одно- и многоканаль­ ные) АСР.

Техническая структура АСР принципиально не отличается от струк­ туры САУ, приведенной на рис. 1.2. В качестве вычислительного

10