Oggetti di automazione e loro caratteristiche

Oggetti di automazione (oggetti di controllo) — si tratta di installazioni separate, macchine per il taglio dei metalli, macchine, aggregati, dispositivi, complessi di macchine e dispositivi che devono essere controllati. Sono molto diversi per scopo, struttura e principio di azione.

L'oggetto dell'automazione è il componente principale del sistema automatico, che determina la natura del sistema, pertanto viene prestata particolare attenzione al suo studio. La complessità di un oggetto è determinata principalmente dal grado della sua conoscenza e dalla varietà delle funzioni che svolge. I risultati dello studio dell'oggetto devono essere presentati sotto forma di chiare raccomandazioni riguardanti la possibilità di automazione totale o parziale dell'oggetto o l'assenza delle condizioni necessarie per l'automazione.

Caratteristiche degli oggetti di automazione

La progettazione di un sistema di controllo automatico deve essere preceduta da un sopralluogo in loco per stabilire le relazioni in loco. In generale, queste relazioni possono essere rappresentate come quattro insiemi di variabili.

Un disturbo controllato, la cui raccolta forma il vettore L-dimensionale H = h1, h2, h3, ..., hL... Includono variabili misurabili che dipendono dall'ambiente esterno, come gli indicatori di qualità delle materie prime in fonderia, la quantità di vapore consumato nella caldaia a vapore, la portata d'acqua nello scaldabagno istantaneo, la temperatura dell'aria nella serra, che varia a seconda delle condizioni ambientali esterne e dei fattori che influenzano il processo. Per i disturbi controllati, vengono poste limitazioni alle condizioni tecnologiche.

L'indicatore del processo tecnologico da controllare è chiamato quantità controllata (coordinata) e la quantità fisica con cui è controllato l'indicatore del processo tecnologico è chiamata azione di controllo (quantità di input, coordinata).

Azioni di controllo, la cui totalità forma un vettore n-dimensionale X = x1, x2, x3, ..., xn... Sono indipendenti dall'ambiente esterno e hanno l'impatto più significativo sul processo tecnologico. Con il loro aiuto, il corso del processo viene intenzionalmente modificato.

Per controllare le azioni includono l'accensione e lo spegnimento di motori elettrici, riscaldatori elettrici, attuatori, la posizione delle valvole di controllo, la posizione dei regolatori, ecc.

Variabili di uscita, il cui insieme forma il vettore di stato M-dimensionale Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Queste variabili sono l'output dell'oggetto, che ne caratterizza lo stato e determina gli indicatori di qualità del prodotto finito .

Influenze di disturbo incontrollate, la cui raccolta forma il vettore G-dimensionale F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Includono tali disturbi che non possono essere misurati per un motivo o per l'altro, ad esempio a causa della mancanza di sensori.

Riso. 1.Ingressi e uscite dell'oggetto di automazione

Lo studio delle relazioni considerate dell'oggetto da automatizzare può portare a due conclusioni diametralmente opposte: esiste una stretta dipendenza matematica tra le variabili di output e di input dell'oggetto, oppure non esiste alcuna dipendenza tra queste variabili che può essere espressa da un affidabile calcolo matematico formula.

Nella teoria e nella pratica del controllo automatico dei processi tecnologici, è stata acquisita sufficiente esperienza nel descrivere lo stato di un oggetto in tali situazioni. In questo caso, l'oggetto è considerato uno dei collegamenti nel sistema di controllo automatico. Nei casi in cui è nota la relazione matematica tra la variabile di output y e l'azione di input di controllo x dell'oggetto, si distinguono due forme principali di registrazione delle descrizioni matematiche: si tratta delle caratteristiche statiche e dinamiche dell'oggetto.

Caratteristica statica in forma matematica o grafica esprime la dipendenza dei parametri di output dall'input. Le relazioni binarie hanno solitamente una chiara descrizione matematica, per esempio, la caratteristica statica dei dosatori per la pesatura dei materiali di colata ha la forma h = km (dove h è il grado di deformazione degli elementi elastici; t è la massa del materiale; k è il fattore di proporzionalità, che dipende dalle proprietà del materiale dell'elemento elastico).

Se sono presenti più parametri variabili, i nomogrammi possono essere utilizzati come caratteristiche statiche.

La caratteristica statica dell'oggetto determina la successiva formazione di obiettivi di automazione. Dal punto di vista dell'attuazione pratica in fonderia, tali obiettivi possono essere ricondotti a tre tipologie:

• stabilizzazione dei parametri iniziali dell'oggetto;

• cambiare i parametri di uscita secondo un dato programma;

• variazione della qualità di alcuni parametri di output al variare delle condizioni di processo.

Tuttavia, un certo numero di oggetti tecnologici non può essere descritto matematicamente a causa della moltitudine di fattori correlati che influenzano il corso del processo, la presenza di fattori incontrollabili e la mancanza di conoscenza del processo. Tali oggetti sono complessi dal punto di vista dell'automazione. Il grado di complessità è determinato dal numero di ingressi e uscite dell'oggetto. Tali difficoltà oggettive sorgono nello studio dei processi ridotti dalla massa e dal trasferimento di calore. Pertanto, nella loro automazione, sono necessarie ipotesi o condizioni, che dovrebbero contribuire all'obiettivo principale dell'automazione: aumentare l'efficienza della gestione avvicinando al massimo le modalità tecnologiche a quelle ottimali.

Per studiare oggetti complessi viene utilizzata una tecnica che consiste in una rappresentazione condizionale di un oggetto sotto forma di una «scatola nera». Allo stesso tempo, si studiano solo le connessioni esterne, né si tiene conto della struttura mattutina del sistema, cioè si studia cosa fa l'oggetto, non come funziona.

Il comportamento dell'oggetto è determinato dalla risposta dei valori di output alle variazioni dei valori di input. Lo strumento principale per studiare un tale oggetto sono i metodi statistici e matematici. Metodologicamente, lo studio dell'oggetto viene effettuato nel modo seguente: vengono determinati i parametri principali, viene stabilita una serie discreta di modifiche ai parametri principali, i parametri di input dell'oggetto vengono modificati artificialmente all'interno della serie discreta stabilita, tutte le modifiche negli output vengono registrati ei risultati vengono elaborati statisticamente.

Caratteristiche dinamiche un oggetto di automazione è determinato da una serie di sue proprietà, alcune delle quali contribuiscono a un processo di controllo di alta qualità, altre lo ostacolano.

Di tutte le proprietà degli oggetti di automazione, indipendentemente dalla loro varietà, si possono distinguere le principali e più caratteristiche: capacità, capacità di autoallineamento e ritardo.

Capacità è la capacità di un oggetto di accumulare l'ambiente di lavoro e immagazzinarlo nell'oggetto. L'accumulo di materia o energia è possibile grazie al fatto che esiste una resistenza di uscita in ogni oggetto.

La misura della capacità dell'oggetto è il coefficiente di capacità C, che caratterizza la quantità di materia o energia che deve essere fornita all'oggetto per modificare il valore controllato di un'unità nella dimensione di misura accettata:

dove dQ è la differenza tra l'afflusso e il consumo di materia o energia; ru — parametro controllato; t è il tempo.

La dimensione del fattore di capacità può essere diversa a seconda delle dimensioni dei parametri controllati.

Il tasso di variazione del parametro controllato è minore, maggiore è il fattore di capacità dell'oggetto. Ne consegue che è più facile controllare quegli oggetti i cui coefficienti di capacità sono maggiori.

Autolivellante Questa è la capacità di un oggetto di entrare in un nuovo stato stazionario dopo un disturbo senza l'intervento di un dispositivo di controllo (regolatore).Gli oggetti che hanno autoallineamento sono chiamati statici e quelli che non hanno questa proprietà sono chiamati neutri o astatici . L'autoallineamento contribuisce alla stabilizzazione del parametro di controllo dell'oggetto e facilita il funzionamento del dispositivo di controllo.

Gli oggetti autolivellanti sono caratterizzati da un coefficiente (grado) di autolivellamento, che assomiglia a questo:

A seconda del coefficiente di autolivellamento, le caratteristiche statiche dell'oggetto assumono una forma diversa (Fig. 2).

Dipendenza del parametro controllato dal carico (disturbo relativo) a diversi coefficienti di autolivellamento: 1-autolivellamento ideale; 2 — normale autolivellamento; 3 — mancanza di autolivellamento

La dipendenza 1 caratterizza un oggetto per il quale il valore controllato non cambia in presenza di disturbi, tale oggetto non necessita di dispositivi di controllo. La dipendenza 2 riflette il normale autoallineamento dell'oggetto, la dipendenza 3 caratterizza un oggetto che non ha autoallineamento. Il coefficiente p è variabile, aumenta con l'aumentare del carico e nella maggior parte dei casi ha un valore positivo.

Un ritardo — è il tempo trascorso tra il momento dello squilibrio e l'inizio della variazione del valore controllato dell'oggetto. Ciò è dovuto alla presenza di resistenza e alla quantità di moto del sistema.

Esistono due tipi di ritardo: puro (o trasporto) e transitorio (o capacitivo), che si aggiungono al ritardo totale nell'oggetto.

Il ritardo puro ha preso il nome perché, negli oggetti in cui esiste, c'è un cambiamento nel tempo di risposta dell'output dell'oggetto rispetto al tempo in cui si verifica l'azione di input, senza modificare l'entità e la forma dell'azione. Una struttura che funziona al massimo carico o in cui un segnale si sta propagando ad alta velocità ha il ritardo netto minimo.

Il ritardo transitorio si verifica quando il flusso di materia o energia supera le resistenze tra la capacità dell'oggetto.È determinato dal numero di condensatori e dalla dimensione delle resistenze di trasferimento.

Ritardi puri e transitori degradano la qualità del controllo; pertanto, è necessario sforzarsi di ridurre i loro valori. Le misure contribuenti includono il posizionamento di dispositivi di misurazione e controllo in prossimità dell'oggetto, l'uso di elementi sensibili a bassa inerzia, la razionalizzazione strutturale dell'oggetto stesso, ecc.

I risultati dell'analisi delle caratteristiche e delle proprietà più importanti degli oggetti per l'automazione, nonché i metodi della loro ricerca, consentono di formulare una serie di requisiti e condizioni, il cui rispetto garantisce la possibilità di un'automazione di successo. I principali sono i seguenti:

• descrizione matematica delle relazioni oggettuali, presentata sotto forma di caratteristiche statiche; per oggetti complessi che non possono essere descritti matematicamente: l'uso di metodi matematici e statistici, tabulari, spaziali e di altro tipo per studiare le relazioni di un oggetto sulla base dell'introduzione di determinati presupposti;

• costruzione delle caratteristiche dinamiche dell'oggetto sotto forma di equazioni differenziali o grafici per lo studio dei processi transitori nell'oggetto, tenendo conto di tutte le principali proprietà dell'oggetto (capacità, ritardo, autolivellamento);

• l'uso nell'oggetto di tali mezzi tecnici che assicurerebbero il rilascio di informazioni sulla modifica di tutti i parametri di interesse dell'oggetto sotto forma di segnali unificati misurati dai sensori;

• l'uso di attuatori con azionamenti controllati per controllare l'oggetto;

• stabilire limiti noti in modo affidabile dei cambiamenti nei disturbi esterni dell'oggetto.

I requisiti subordinati includono:

• determinazione delle condizioni al contorno per l'automazione in accordo con i compiti di controllo;

• definizione di vincoli sui quantitativi in ​​ingresso e azioni di controllo;

• calcolo dei criteri di ottimalità (efficienza).

Un esempio di oggetto di automazione è un impianto per la preparazione delle terre di formatura in una fonderia

Il processo di produzione delle terre di formatura consiste nel dosare i componenti iniziali, alimentarli al miscelatore, miscelare la miscela finita e alimentarla alle linee di formatura, lavorare e rigenerare la miscela esaurita.

Le materie prime delle miscele sabbia-argilla più comuni nella produzione di fonderia: miscela di scarto, sabbia fresca (riempitivo), argilla o bentonite (additivo legante), carbone macinato o materiali carboniosi (additivo antiaderente), refrattari e additivi speciali (amido , melassa) e anche acqua.

I parametri di input del processo di miscelazione sono i costi dei materiali di stampaggio specificati: miscela esaurita, sabbia fresca, argilla o bentonite, carbone macinato, amido o altri additivi, acqua.

I parametri iniziali sono le proprietà meccaniche e tecnologiche richieste della miscela di stampaggio: resistenza a secco e ad umido, permeabilità ai gas, compattazione, formabilità, fluidità, densità apparente, ecc., che sono controllate mediante analisi di laboratorio.

Inoltre, i parametri di output includono anche la composizione della miscela: il contenuto di leganti attivi ed efficaci, il contenuto di carbone attivo, il contenuto di umidità o il grado di bagnatura del legante, il contenuto di fini - particelle fini che assorbono l'umidità e la composizione granulometrica dell'impasto o il modulo di finezza.

Pertanto, l'oggetto del controllo del processo è la composizione costitutiva della miscela. Fornendo una composizione ottimale dei componenti della miscela finita, determinata sperimentalmente, è possibile ottenere la stabilizzazione a un determinato livello delle proprietà meccaniche e tecnologiche della miscela.

I disturbi a cui è sottoposto il sistema di preparazione della miscela complicano notevolmente il compito di stabilizzare la qualità della miscela. La ragione del disturbo è la presenza di un flusso di ricircolo — l'uso della miscela di rifiuti. Il principale oltraggio nel sistema di preparazione della miscela sono i processi di colata. Sotto l'influenza del metallo liquido, nella parte della miscela in prossimità della colata e riscaldata a temperature elevate, si verificano profondi cambiamenti nella composizione del legante attivo, carbone e amido e la loro transizione in un componente inattivo.

La preparazione della miscela consiste in due processi consecutivi: dosaggio o miscelazione della miscela, che assicura l'ottenimento della necessaria composizione del componente, e miscelazione, che garantisce l'ottenimento di una miscela omogenea e le conferisce le proprietà tecnologiche necessarie.

Nel moderno processo tecnologico per la preparazione di miscele per stampaggio, vengono utilizzati metodi continui di dosaggio di materie prime (stampaggio), il cui compito è produrre un flusso continuo di una quantità costante di materiale o dei suoi singoli componenti con deviazioni di portata dal dato non più di quanto consentito.

L'automazione del processo di miscelazione come oggetto di controllo può essere eseguita con quanto segue:

• costruzione razionale di sistemi per la preparazione di una miscela, consentendo di escludere o ridurre l'influenza dei disturbi sulla composizione della miscela;

• l'uso di metodi di pesatura e dosaggio;

• creazione di sistemi di controllo collegati per il dosaggio multicomponente, tenendo conto della dinamica del processo (inerzia e ritardo del miscelatore), e il componente principale dovrebbe essere la miscela esausta, che presenta fluttuazioni significative nella portata e nella composizione;

• controllo e regolazione automatica della qualità della miscela durante la sua preparazione;

• creazione di dispositivi automatici per il controllo complesso della composizione e delle proprietà della miscela con elaborazione dei risultati del controllo su un computer;

• cambio tempestivo della ricetta dell'impasto quando si cambia il rapporto impasto/metallo nello stampo e il tempo di raffreddamento del getto prima della battuta.