Виды автоматизации.
В зависимости от функций, выполняемых устройствами автоматики, различают несколько видов [17] автоматизации производственных процессов (рис. 1).
Автоматический контроль — проверка элементов рабочего процесса машины и механизмов при помощи специальных аппаратов и приборов.
Автоматическая защита — предотвращение аварийных повреждений механизмов и машин в случае отклонения от установленных технологических режимов работы, перегрузок, поломок и т. п.
Автоматическое управление — обеспечение установленной технологической последовательности выполнения отдельных переходов, операций или всего рабочего процесса.
Автоматическое регулирование — автоматическое управление производственным процессом с автоматическим регулированием заданного режима работы механизма, машины.
Для уяснения общих понятий об автоматизации производственных процессов рассмотрим в качестве примера процесс управления температурным режимом печи для нагрева металла.
Без применения автоматики согласно рис. 2 температура печи θ измеряется термопарой, которая дает электрическое напряжение U, пропорциональное температуре θ. Шкала прибора, измеряющего напряжение U, градуируется, и человек, наблюдая угол поворота φ стрелки прибора, определяет фактическую температуру в печи θ. Сравнивая температуру θ, показываемую термопарой, с заданной температурой θ0, он перемещает движок реостата S в ту или другую сторону, изменяя сопротивление в электрической цепи печи. Измененное сопротивление в цепи увеличивает или уменьшает количество тепла, идущего на нагрев рабочей цепи, и создает повышение или понижение температуры.
Рис. 1. Основные виды автоматизации производственных процессов
Рис. 2. Схема управления без применения автоматики
Таким образом, при ручном управлении температурой печи человек выполняет две операции: контролирует отклонение температуры печи θ от заданной температуры θ0 и управляет изменением температуры в зависимости от наблюдаемого им отклонения.
Для автоматизации процесса управления можно использовать пропорциональную зависимость между перемещением движка реостата и величиной Δθ. Схема автоматизации, осуществляющей такую зависимость, показана на рис. 3. На входе системы автоматического регулирования вводится эталонное напряжение U0, которое соответствует заданной температуре θ0. Напряжение U0 сравнивается с напряжением U1 термопары, фиксирующей температуру печи. Разность напряжений U=U1—U0, называемая рассогласовыванием и пропорциональная отклонению температуры 0 от θ0, подается на усилитель, питающий привод движка регулирующего реостата.
Структурная схема автоматического управления. Приведенная на рис. 3 схема называется структурной или функциональной схемой автоматического управления. Как видно из примера, для перехода от ручного управления температурой к автоматизации этого процесса необходимо вместо разомкнутой системы (см. рис. 2) создать замкнутую систему. В замкнутой системе входное воздействие (питание привода регулирующего реостата) зависит от значения выходной величины θ. Эта связь выхода системы с ее входом называется обратной связью. Обратная связь осуществляется измерительным устройством (в нашем примере — термопарой), которое служит не только для регистрации температуры, но является также чувствительным элементом, воздействующим на привод регулирующего реостата.
Поскольку термопара дает слабый электрический ток, недостаточный для питания привода реостата, в систему регулирования вводится усилительно-преобразующее устройство, благодаря которому слабый управляющий сигнал на выходе измерительного устройства преобразуется в достаточно мощный.
Элементная блок-схема автоматического управления.
Общие принципы автоматических систем отражают элементные блок- схемы. Для структурной схемы автоматического управления температурным режимом нагревательной печи (см. рис. 3) элементная блок-схема приведена на рис. 4. Схема дает общие понятия об автоматических системах управления независимо от конструкции автоматических устройств и природы рассматриваемых явлений и процессов.
Машины—двигатели, машины—орудия, различные агрегаты, у которых подлежит автоматическому управлению одна или несколько физических величин, называются регулируемыми объектами (в нашем примере — печь для нагрева металла). Величины, которые требуется поддерживать постоянными или изменять по заданной программе, называются регулируемыми параметрами (в нашем примере — температура в печи, на рис. 4 — это величина х1).
Чувствительный элемент, воспринимающий изменения или отклонения регулируемого параметра и воздействующий на элементы автоматического устройства, называется измерительным устройством (в примере — термопара, на рис. 4 — это элемент, реагирующий на отклонение параметра х1).
Рис. 4. Элементная блок-схема системы автоматического управления
Рис. 5. Система автоматического контроля (а) и автоматического управления (б): ПО — производственный объект; И — измерительное устройство; У — управляющее устройство (исполнительное и регулирующее); В — воспроизводящее устройство
Элемент, на который воздействует измерительное устройство (при необходимости после усиления или преобразования), называется исполнительным устройством (в примере — привод к реостату). И, наконец, элемент, оказывающий воздействие на регулируемый объект, называется регулирующим устройством (реостат). Это устройство оказывает воздействие на регулируемый объект, а величина хе называется регулирующим воздействием (в примере — изменение сопротивления электрической цепи).
Устройство, автоматически поддерживающее заданное значение регулируемых параметров, называется автоматическим регулятором, который вместе с регулируемым объектом составляет систему автоматического регулирования; процесс регулирования в такой системе осуществляется передачей воздействий от одного звена к другому по замкнутому контуру. Воздействия отдельных звеньев системы друг па друга, выражаемые величинами О, U, S, r (см. рис. 3) или х1, х2, х3, х4, х5, х6 (см. рис. 4), называются внутренними воздействиями.
Кроме внутренних, на систему автоматического регулирования влияют внешние воздействия. Одним из основных внешних воздействий является возмущающее воздействие на регулируемый объект. В примере возмущающим воздействием будет изменение загрузки печи, закладка холодного металла, а также все нарушения в электрической цепи нагрева печи. Внешние воздействия будут восприняты термопарой, которая за счет внутренних воздействий системы автоматического регулирования обеспечит необходимое значение температуры. Другим внешним воздействием является задаваемая величина на входе U0 или х0. Это воздействие создается от ручной перенастройки системы или при работе программного устройства.
Если в системе регулирования имеются усилительно-преобразующие устройства, то питание энергией будет внешней связью системы регулирования. При нарушении нормального питания энергией (колебания напряжения, давления и др.) создается внешнее возмущающее воздействие на регулятор.
Приведенный пример автоматического управления температурой нагрева металла в электропечи показывает, что в общем случае система автоматического управления осуществляет две функции: контроль (измерительные и усилительно-преобразовательные устройства) и управление процессом (исполнительные и регулирующие устройства).
В производстве применяются также системы, в которых осуществляется лишь одна из отмеченных функций (рис. 5), они называются соответственно системами автоматического контроля или системами автоматического управления.
В системе автоматического контроля управляющее устройство воздействует на воспроизводящее устройство, которое показывает (приборы со шкалой), сигнализирует (звук, свечение лампочки и др.) или записывает (самопишущие приборы, регистрация на пленке, цифровом устройстве и др.) значение контролируемой величины. Здесь функция управления процессом отсутствует. В некоторых системах автоматического контроля изделий последний элемент системы маркирует, отбраковывает или сортирует изделия (см. главу VII).
В системе автоматического управления отсутствует функция контроля производственного процесса. Управление значением регулируемой величины осуществляется подачей задания на управляющее устройство; это воздействие оказывает или человек, или система автоматики другого производственного процесса.