Современная автоматика в системах управления технологическими процессами

СОВРЕМЕННАЯ
АВТОМАТИКА
В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ

Москва
ИНФРА-М
2020

В.П. ИВШИН
М.Ю. ПЕРУХИН

УЧЕБНИК

Рекомендовано в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 «Химическая технология»,
18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, 
нефтехимии и биотехнологии» (квалификация (степень) «бакалавр»)

Ившин В.П.
Современная автоматика в системах управления технологическими процессами : учебник / В.П. Ившин, М.Ю. Перухин. — Москва : 
 ИНФРА-М, 2020. — 402 с. : ил. + Доп. материалы [Электронный ресурс].— (Высшее образование).
ISBN 978-5-16-013335-5 (print)
ISBN 978-5-16-106042-1 (online)

В учебнике изложены основы теории, рассмотрены схемы, конструкции 
и технические характеристики интеллектуальных средств измерений. Рассмотрены принципы действия контрольно-измерительных приборов, автоматических регуляторов и управляющих устройств. Приведены многочисленные 
примеры схем автоматизации. 
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов технологических вузов.
УДК 681.5.01(075.8)
ББК 32.965я73

И17

Р е ц е н з е н т ы:
К.Х. Гильфанов, профессор кафедры автоматизации технологических 
процессов и производств Казанского государственного энергетического 
университета, д-р техн. наук;
С.А. Терентьев, доцент кафедры автоматики и управления Казанского 
национального исследовательского технического университета имени 
А.Н. Туполева, канд. техн. наук 

УДК 681.5.01(075.8)
ББК 32.965я73
 
И17

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

ISBN 978-5-16-013335-5 (print)
ISBN 978-5-16-106042-1 (online)
© Ившин В.П., Перухин М.Ю., 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель данного издания – помочь студентам выполнить раздел по 

дисциплине «Системы управления химико-технологическими процессами» в курсовых, дипломных проектах и в дипломных работах. 
Разделы, представленные в учебнике, базируются на учебной программе дисциплины и способствуют решению основных задач его 
усвоения.

Учебник включает три раздела:
1. Автоматический контроль технологических параметров.
2. Автоматическое регулирование технологических параметров.
3. Автоматизированная система управления технологическими 

процессами (АСУТП).

Материалы, отмеченные знаком  
,  доступны в электронно
библиотечной системе znanium по адресу: http://znanium.com.

ВВЕДЕНИЕ
Основной вопрос экономической стратегии государства – уско
рение научно-технического прогресса, что позволит добиться значительного повышения производительности труда. Одним из важнейших направлений, повышающих производительность труда, 
является освоение передовых технологий, таких как мембранная, 
лазерная, плазменная технологии, нанотехнология, а также использование сверхвысоких давлений и импульсных нагрузок. Второе направление — это автоматизация производства.

Автоматическое устройство – это устройство, выполняющее свои 

функции без вмешательства человека. Внедрение автоматически действующих устройств в промышленное производство называется автоматизацией. Автоматизация производства предполагает автоматический контроль технологических параметров, автоматическое 
регулирование, автоматическое или автоматизированное управление, а также защиту процессов и оборудования от аварийных ситуаций, сигнализацию отклонений от номинальных режимов, защиту 
окружающей среды. Автоматизация производства невозможна без 
измерений, так как нельзя управлять объектом, не имея информации 
о нем. Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. 
Единица веса драгоценных камней – карат – «семя боба», «горошина» (в переводе с языков древнего юго-востока). Единица аптекарского веса – гран – «зерно» (в переводе с латинского, французского, 
английского, испанского). В Киевской Руси в обиходе были такие 
меры, как:
• вершок – «верх перста» – длина фаланги указательного пальца;
• пядь – от «пять», «пятерня» – расстояние между концами вытя
нутых большого и указательного пальцев;

• локоть – расстояние от локтя до конца среднего пальца;
• косая сажень – предел того, что можно достать: расстояние от 
подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх 
правой руки;
• верста – от «верти», «поворачивай» плуг обратно – длина борозды 
[40].
На заре развития человеческого общества меры и единицы величин были произвольными, что затрудняло сравнение результатов 
измерений. С течением времени люди пришли к пониманию ценности специальных вещественных мер для измерений. Например, водяные часы, затем песочные использовали в качестве меры, воспроизводящей определенный интервал времени. Затем стали вводить 
в практику естественные меры. Такой мерой стала Земля, период 
вращения которой использовался для воспроизведения единицы 
времени. Дальнейшее развитие человеческого общества – развитие 
торговли, мореходства, появление промышленности, развитие науки — требовало создания специальных технических средств – 
средств измерения различных величин. В связи с изучением явлений 
электричества стали создаваться электроизмерительные приборы 
[40]. Первый в мире электроизмерительный прибор был создан 
в 1745 г. русским академиком Г.В. Рихманом – соратником М.В. Ломоносова. Это был электрометр – прибор для оценки разности потенциалов, предназначенный для измерения атмосферного электричества. В 1820 г. А. Ампер создает первый гальванометр (магнитная 
стрелка, на которую действует поле проводника с измеряемым током), а в 1867 г. У. Томпсон (Кельвин) – гальванометр с подвижной 
катушкой и неподвижным электромагнитом. В 1881 г. Ф. Уппенборн 
изобрел электромагнитный прибор. Русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский изобрел индукционный ваттметр, фазометр, 
ферродинамический ваттметр. В 1872 г. А.Г. Столетов создал метод 
измерения индукции с помощью баллистического гальванометра. 
Несмотря на то что в XIX в. уже широко использовали различные 
средства измерений, не было единой общепринятой системы единиц 
величин, и поэтому результаты измерений, выполненные разными 
экспериментаторами с помощью различных средств, были трудно 
сопоставимы. Это тормозило развитие науки и техники. Фундаментально эта проблема была решена [40] Первым конгрессом по электричеству в 1881 г., принявшим первую систему единиц. Для воспроизведения, хранения и передачи размера единиц различных величин 
с помощью специальных мер-эталонов в некоторых странах были 
созданы специальные метрологические учреждения. В России таким 
учреждением являлось «Депо образцовых мер и весов».  В 1892 г. был 
назначен ученым хранителем Депо Д.И. Менделеев. Депо в 1893 г. 
было преобразовано в Главную палату мер и весов. Особенно интен

сивно развивалось приборостроение в послевоенный период. На-
пример, с 1946 по 1972 г. объем продукции вырос в 452 раза; число 
типов приборов увеличилось со 135 до 909. Сейчас развитие приборостроения идет более быстрыми темпами, чем развитие всей промышленности. Затраты на измерительную технику в настоящее время составляют 10–15% всех материальных затрат в общественное 
производство, а в таких отраслях промышленности, как нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, радиоэлектронная, 
самолетостроительная и др., эти затраты достигают 25%. В последние 
годы все более широкое применение получают структурные методы 
повышения точности средств измерений, базирующиеся на использовании средств микропроцессорной техники (метод вспомогательных измерений для коррекции статической характеристики средств 
измерений в зависимости от основных влияющих величин; метод 
образцовых сигналов для периодической самоградуировки средств 
измерений). Освоение выпуска дешевых и разнообразных средств 
микропроцессорной техники делает экономически и технически целесообразным автоматический контроль параметров, определение 
которых связано с необходимостью выполнения косвенных и совокупных измерений [40]. Широкие перспективы имеет применение 
средств микропроцессорной техники в автоматических анализаторах 
качества для улучшения их метрологических и информационных 
характеристик. Для поддержания единства измерений в нашей стране создано метрологическое обеспечение, включающее в себя научные основы: метрологию; метрологическую службу в виде сети 
учреждений, деятельность которых направлена на метрологическое 
обеспечение; комплекс нормативно-технических документов, устанавливающих правила и положения, относящиеся к обеспечению 
точности измерений. Техническую основу метрологического обеспечения составляют эталоны единиц величин и система передачи 
размеров единиц всем средствам измерений. Автоматизированное 
производство помогает человеку управлять работой созданных им 
машин. Кроме того, некоторые процессы опасны для здоровья обслуживающего персонала. Современный этап автоматизации базируется на широком использовании промышленных ЭВМ и персональных компьютеров, а также программируемых контроллеров 
в функциональных схемах автоматизированных систем управления 
технологическими процессами (АСУТП). Бурно развивается робототехника, внедряются роторно-конвейерные линии.

Классификация технологических процессов 
по характеру процесса

Согласно временной характеристике технологические процессы 
по характеру могут быть подразделены на непрерывные, непрерывно-дискретные и дискретные.
Непрерывные процессы – это процессы, в которых конечный продукт производится поточным способом при непрерывном подводе 
сырья, энергии, компонентов, управляющих воздействий и т.п. Эти 
процессы (например, переработка сырья при производстве муки, 
сахара и т.п.) имеют достаточную стабильность и стационарность и 
наиболее удобны для управления.
Непрерывно-дискретные процессы – это процессы, при которых 
в течение определенного, относительно длительного промежутка 
времени (часов или дней) вырабатывается определенное, ограниченное количество конечного продукта, периодически производимого 
порциями. Для них характерно наличие циклов и сочетание 
особенно стей непрерывного и дискретного процессов. Сырье и полуфабрикаты вводятся регламентированными дозами и в определенной последовательности (операции смешивания и подачи энергии 
осуществляются в заданном порядке). После выполнения всех операций последовательной переработки продукции в соответствии с 
требованиями качества и рецептуры формируется порция конечного 
продукта (например, первичное виноделие и розлив, сахарорафинадное производство, стерилизация консервов, ферментация табака 
и чая и др.).
Дискретные процессы – это процессы, характеризующиеся периодической повторяемостью различных преобразований или чередованием операций перемещения и дозирования, наиболее важных для 
управления при производстве штучных изделий. Для данных процессов характерно большое количество однородных изделий во времени. К дискретным процессам относят процессы порционного и 
многокомпонентного дозирования: фасовка муки, печенья в пачки 
и другую тару; фасовка порошкообразных продуктов. Эти процессы 
отличаются высокой производительностью.

Классификация технологических процессов  
в зависимости от поставленных задач
Автоматизацию производственных процессов в зависимости от 
поставленных задач подразделяют на частичную, комплексную и 
полную.
Частичная автоматизация (отдельных производственных процессов, устройств, элементов оборудования) реализуется простыми 

техническими средствами без сложной подготовки автоматизируемого оборудования и процессов.
Комплексная автоматизация проводится на участке, в отделении, 
цехе, которые функционируют как единый взаимосвязанный автоматизированный комплекс, т.е. при участии людей. Комплексная автоматизация возможна при высокоразвитом производстве с 
совершенной технологией и при прогрессивных методах управления с применением надежного производственного оборудования, 
действующего по заданной или саморегулирующейся программе. 
При комплексной автоматизации функции человека состоят 
в контроле и управлении работой комплекса.
Полная автоматизация предусматривает передачу всех функций 
управления и контроля производством автоматическим системам 
управления. Полностью автоматизируют рентабельно устойчивые 
производства, режимы работы которых практически неизменны. 
Особенно важна полная автоматизация в условиях, опасных для 
жизни и здоровья человека.

Использование промышленных роботов 
в производственном процессе
При комплексной автоматизации необходимо автоматизировать 
операции обслуживания технологических машин и аппаратов: транспортирование к ним заготовок и деталей, полуфабрикатов и материалов, готовой продукции, а также ее упаковывание, складирование 
и т.п. Практика показала, что далеко не все ручные технологические 
операции можно автоматизировать традиционными техническими 
средствами автоматики, поэтому и возникла необходимость создания 
промышленных роботов.
Промышленный робот – это автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства 
в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, 
и перепрограммируемого устройства программного управления для 
выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.
Перепрограммируемость – свойство промышленного робота заменять управляющую программу автоматически или при помощи человека-оператора. К перепрограммированию относят изменение 
последовательности и значения перемещений по степеням подвижности и управляющих функций с помощью средств управления на 
пульте устройства управления.
Манипулятор – управляемое устройство или машина для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве. Манипулятор оснащен рабочим органом – составной частью исполнительного устрой

ства промышленного робота для непосредственного выполнения 
технологических операций и вспомогательных переходов.
Благодаря наличию нескольких степеней подвижности и гибкой 
системе управления, которая легко переналаживается на выполнение 
различных программ движения манипулятора, робот является многофункциональной машиной. Это отвечает требованиям гибкой перенастройки производства на различные технологические процессы.
Роботы широкого назначения подразделяют на манипуляционные, мобильные, информационно-управляющие и информацион- 
ные [45].
Манипуляционные роботы имеют манипулятор для выполнения 
двигательных функций, аналогичных функциям руки человека.
Мобильные робототехнические системы отличаются от других наличием движущегося шасси с автоматически управляемыми приводами. Они могут быть колесные, шагающие (локомоционные), колесно-шагающие, гусеничные, плавающие, летающие. Часто мобильные машины включают в себя и манипуляционные роботы и 
могут применяться во многих отраслях промышленности. Частого 
применения ручного труда требует транспортирование продукции и 
сырья. Здесь объектом робототехники является создание автоматических тележек (робокаров), движущихся по заданной программе. 
Программа может легко переналаживаться. Это же относится и к 
автоматическим подвесным транспортным роботам. Необходимо 
автоматизировать все виды складских работ с помощью робототехнических систем, когда робот автоматически обслуживает различные 
ячейки склада и прибывающие к нему робокары.
Информационно-управляющие робототехнические системы могут 
не иметь механически движущихся исполнительных устройств. Они, 
получив информацию от каких-либо внешних источников, ее обрабатывают по определенным алгоритмам и программам (в том числе 
адаптирующимся к обстановке и к постоянной задаче), выдают результаты на дисплей или другие внешние устройства, а также автоматически вырабатывают необходимые управляющие сигналы на 
основе результатов обработки. Информационные робототехнические 
системы могут определять свойства неизвестных объектов в любой 
среде.
К информационным роботам относятся также и автоматические 
контрольно-измерительные системы на производстве. Много ручного труда затрачивается на контрольно-измерительные операции. 
Назначение робототехники – автоматизация самого процесса контроля и измерения и передача информации о необходимости подналадки и пр. Эта задача должна быть решена для завершения комплексной автоматизации производства и ликвидации однообразного ручного труда.

Промышленные роботы классифицируют по различным признакам, а именно: степени универсальности (технологическому назначению), типу системы управления, типу кинематической схемы, 
грузоподъемности и виду приводов и т.д.
По степени универсальности (техническому назначению) промышленные роботы бывают универсальными, специализированными и специальными.
Универсальные роботы конструктивно независимы от технологического оборудования и ориентированы на выполнение широкого 
круга вспомогательных и основных производственных операций.
Специализированные роботы связаны с определенной номенклатурой оборудования, ими можно управлять от автономной или единой с обслуживаемым оборудованием системы управления.
Специальные роботы, как правило, встроены в обслуживаемое оборудование, имеют конструкции, жестко связанные с видом технологической операции, типом деталей и заготовок.
По виду выполняемых технологических операций роботы делят 
на вспомогательные и технологические.
Все выпускаемые в настоящее время промышленные роботы 
включают в себя органы манипулирования – «руки» и схваты; при 
необходимости – органы перемещения: тележки и другие устройства, 
программную управляющую систему; датчики, контролирующие 
положение рабочих органов.
Функция манипулятора состоит в перемещении «руки» и ориентации схвата относительно технологического оборудования, с которым взаимодействует робот. Конструкция «руки» промышленного 
робота может быть выдвижной или шарнирной. Число степеней свободы, которые можно определить как число элементарных независимых движений схвата, осуществляемых роботом, определяет подвижность механизма манипулятора. С увеличением числа свободы 
робот становится более универсальным и гибким, способным выполнять сложные технологические операции. Для простых операций 
применяют роботы с 3–5 степенями свободы.

Классификация промышленных роботов 
по типу систем управления
По типу систем управления современные и перспективные промышленные роботы делят на три рода (поколения): программные, 
адаптивные и интеллектные (с элементами искусственного интеллекта) [45]. Все они обладают свойством быстрого перепрограммирования на различные операции, причем в первом поколении перепрограммирование проводится человеком, после чего робот 
дей ствует автоматически, многократно повторяя жестко заданную 
программу. Рассматриваются следующие системы управления пе

ремещением органов манипулятора: цикловая, позиционная, контурная.
В цикловой системе управления перемещения органов манипулятора задаются кулачковыми упорами и отрабатываются концевыми выключателями. Их остановка происходит при достижении 
звеньями манипулятора заданных положений. В системе программируется последовательность движений, выдержка времени при 
остановках на упоре, выдача технологических команд и закрытие 
схвата. В цикловых системах роботы снабжаются быстродействующими пневматическими приводами. Они управляются либо с 
помощью электроники (релейно-контактной аппаратуры), либо с 
помощью пневматики (струйной техники). Последнюю применяют преимущественно во взрывоопасных ситуациях, где нежелательна электрическая аппаратура, а также в высокотемпературных 
и других особых условиях, неблагоприятно действующих на электронику. Система циклового управления является дискретной с 
достаточно простой логикой функционирования, поэтому система 
отличается сравнительно небольшой емкостью программоносителя, простыми алгоритмами управления и небольшими габаритными размерами и стоимостью.
В позиционных системах управления существенно увеличен объем информации о положении звеньев манипулятора. Простейшие 
элементы перемещения и взятия предметов, а также более сложные 
движения возможны при многоточечной позиционной системе 
управления промышленного робота. Фиксирование в программе 
действий робота большего числа точек позволяет передвигаться от 
точки к точке с малой дискретностью. При этом применяют как 
замкнутые системы управления с датчиками обратной связи по 
положению, так и разомкнутые. Позиционная система управления 
роботом может содержать библиотеку заранее подготовленных 
подпрограмм для отдельных частей функционирования робота. 
Тогда сокращается время переналадки робота на выполнение другой технологической операции на том же участке. Кроме того, такие подпрограммы могут дополнительно подключаться для контрольных операций, сортировки изделий, обеспечения работы 
участка при появлении отдельных неисправностей [45].
Выполнение роботом технологических операций в автоматическом режиме осуществляется в соответствии с алгоритмами, реализованными в программном обеспечении. Это относится к сигналам управления приводами и схватом манипулятора, к последовательности движений с определенными скоростями, к достаточно 
точному позиционированию схвата в заданных положениях, синхронизации действий робота с работой оборудования, а также к