Автоматизация технологических процессов

АВТОМАТИЗАЦИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ

2022

Москва
«ИНФРАМ»

Допущено
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для студентов учреждений 
высшего сельскохозяйственного образования 
по техническим специальностям

(соответствует направлению подготовки 15.03.04
«Автоматизация технологических процессов и производств»)

С.Н. ФУРСЕНКО 
Е.С. ЯКУБОВСКАЯ 
Е.С. ВОЛКОВА

УДК 631.171(075.8)
ББК 40.7я73
 
Ф95

Фурсенко, С.Н.
Автоматизация  технологических процессов : учебное пособие / С.Н. Фурсенко, Е.С.  Якубовская, Е.С.  Волкова. — 
Москва : ИНФРА-М, 2022. — 377 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-010309-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102249-8 (ИНФРА-М, online)

Раскрыта теория построения систем автоматизированного управления и регулирования. Подробно изложена методика синтеза систем 
автоматического управления поточными технологическими линиями, 
показаны принципы их реализации на программируемых логических 
контроллерах. Приведены требования к документации проекта автоматизации. Описаны автоматизированные системы управления типовыми технологическими процессами сельскохозяйственного производства.
Для студентов инженерных специальностей. Может быть полезно 
широкому кругу инженерно-технических работников, занимающихся 
проектированием и эксплуатацией систем автоматизации.

УДК 631.171(075.8)
ББК 40.7я73

Ф95

 
© Фурсенко С.Н., Якубовская Е.С., 
Волкова Е.С.,  2014
 
© ООО «Новое знание», 2014

Р е ц е н з е н т ы:
доцент кафедры  автоматизации производственных процессов и электротехники Белорусского  государственного технологического университета, 
кандидат технических наук, доцент И.Ф. Кузьмицкий;
зав.  кафедрой  энергоэффективных технологий   Международного государственного экологического университета им. А.Д. Сахарова,  кандидат 
технических  наук В.А. Пашинский

ISBN 978-5-16-010309-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102249-8 (ИНФРА-М, online)

Оглавление

Предисловие..............................................................................................................................6

Список.сокращений................................................................................................................7

Глава 1. Основные понятия и определения автоматизации 
технологических процессов...............................................................................................8

Контрольные вопросы и задания......................................................................................13

Глава 2. Технологические процессы как объекты автоматизации..................14

Контрольные вопросы и задания......................................................................................22

Глава 3. Синтез систем автоматического управления поточными 
технологическими линиями..............................................................................................23
3.1..Понятие.синтеза.............................................................................................................23
3.2..Структура.и.состав.САУ.поточных.технологических.линий.......................24
3.3..Разработка.структуры.управления.ПТЛ..............................................................36
Контрольные вопросы и задания......................................................................................51

Глава 4. Программируемые логические контроллеры в системах 
автоматического управления ПТЛ................................................................................52
4.1..Архитектура.и.принцип.работы.программируемых.логических.
контроллеров.(ПЛК).в.САУ.ПТЛ.........................................................................52
4.2..Программирование.микропроцессорной.системы.управления.
в.машинном.коде...........................................................................................................59
4.3..Схемы.подключения.программируемых.логических.контроллеров..........69
4.4..Принципы.программирования.логических.контроллеров.............................84
Контрольные вопросы и задания......................................................................................92

Глава 5. Синтез систем автоматического регулирования (САР).....................93
5.1..Характеристика.технологической.установки.как.объекта..
автоматизации................................................................................................................93
5.2..Виды.систем.автоматического.регулирования................................................ 100
5.3..Регулирующие.контуры........................................................................................... 102
5.4..Идентификация.характеристик.объекта.управления................................... 109
5.5..Выбор.способа.регулирования.и.закона.непрерывного..
регулирования............................................................................................................. 120
5.6..Релейные.(позиционные).регуляторы................................................................ 124
5.7..Регуляторы.непрерывного.действия................................................................... 131
5.8..Настройка.регулятора.непрерывного.действия.............................................. 136
Контрольные вопросы и задания................................................................................... 150

Глава 6. Проектная документация систем автоматизации............................... 151
6.1..Назначение.и.содержание.проекта.автоматизации.технологических.
процессов....................................................................................................................... 151

Оглавление
4

6.2..Структурные.схемы.автоматизации.................................................................... 156
6.3..Схемы.автоматизации............................................................................................... 159
6.3.1..Назначение.схем.автоматизации.и.общие.принципы.
их.выполнения................................................................................................. 159
6.3.2..Изображение.технологического.инженерного.оборудования.
и.коммуникаций.на.схемах.автоматизации........................................... 162
6.3.3..Изображение.приборов.и.средств.автоматизации.на.схеме.
автоматизации.................................................................................................. 166
6.3.4..Требования.к.изображению.линий.связи.на.схемах..
автоматизации.................................................................................................. 174
6.3.5..Пример.выполнения.схем.автоматизации............................................. 175
6.4..Принципиальные.электрические.схемы............................................................ 178
6.4.1..Назначение.и.типы.принципиальных.электрических.схем............ 178
6.4.2..Основные.требования.к.оформлению.принципиальных.
электрических.схем.управления,.регулирования,.
контроля.и.сигнализации............................................................................. 182
6.4.3..Реализация.типовых.цепей.управления,.защиты,.
контроля.и.сигнализации.на.принципиальной.схеме....................... 192
6.4.3.1..Переключение.режимов.работы.оборудования..................... 192
6.4.3.2..Автоматическая.защита.................................................................. 194
6.4.3.3..Сигнализация..................................................................................... 196
6.4.3.4..Дополнительные.аппараты.аварийного.отключения.......... 199
6.4.3.5..Блокировка.цепей.катушек.реверсивного.пускателя......... 199
6.4.4..Принципиальные.электрические.схемы.регулятора.......................... 200
6.5..Основные.требования.к.схемам.соединений.внешних.проводок............. 207
6.6..Основные.требования.к.проектной.документации.на.щитовую.
продукцию.систем.автоматики............................................................................. 213
Контрольные вопросы и задания................................................................................... 231

Глава 7. Автоматизация типовых технологических процессов 
сельскохозяйственного производства...................................................................... 233
7.1..Автоматизация.процессов.послеуборочной.обработки.зерновых............ 233
7.1.1..Технологические.схемы.и.оборудование.для.обработки.зерна...... 233
7.1.2..Автоматизация.процесса.очистки.и.сортировки.зерна..
Модель.зерноочистительной.машины..................................................... 238
7.1.3..Автоматизация.процесса.очистки.и.сортирования.зерна.
на.агрегатах.типа.ЗАВ................................................................................... 239
7.1.4..Автоматизация.зерносушилок.................................................................... 243
7.1.5..Автоматизация.активного.вентилирования.зерна.............................. 253
7.2..Автоматизация.технологических.процессов.в.защищенном.грунте....... 258
7.2.1..Автоматизация.микроклимата.парников.и.теплиц............................ 258
7.2.2..Автоматизация.процесса.полива.и.подкормки.растений..
в.теплице............................................................................................................. 266
7.3..Автоматизация.хранилищ.сельскохозяйственной.продукции.................. 272

Оглавление
5

7.4..Автоматизация.технологических.процессов.в.животноводстве.
и.птицеводстве............................................................................................................ 278
7.4.1..Автоматизация.вентиляционных.установок......................................... 278
7.4.1.1..Технологические.требования.к.микроклимату.
в.помещениях.................................................................................................... 278
7.4.1.2..Организация.воздухообмена.в.помещениях..
для.содержания.КРС,.свиней.и.птицы................................................... 281
7.4.1.3..Управление.вентиляционными.установками.
в.животноводческих.помещениях............................................................. 288
7.4.2..Автоматизация.технологических.процессов.в.инкубатории.......... 297
7.4.3..Автоматизация.кормораздачи..................................................................... 301
7.4.3.1..Технологические.основы.кормления.животных..
и.птицы................................................................................................................ 301
7.4.3.2..Автоматизация.раздачи.кормов.на.фермах.
и.промышленных.комплексах.крупного.рогатого.скота.................. 304
7.4.3.3..Автоматизация.раздачи.кормов.на.свиноводческих..
фермах.и.комплексах..................................................................................... 310
7.4.4..Автоматизация.удаления.навоза.и.помета............................................ 313
7.4.5..Автоматизация.доильных.установок.и.оборудования..
первичной.обработки.молока..................................................................... 320
7.4.6..Автоматизация.поточных.линий.сбора.яиц.на.птицефабриках.... 328
7.5..Автоматизация.энергоснабжения......................................................................... 331
7.5.1..Автоматизация.установок.для.подогрева.воды................................... 331
7.5.2..Автоматизация.установок.для.получения.пара................................... 336
7.5.3..Автоматизация.теплогенераторов............................................................. 343
7.6..Автоматизация.водоснабжения.и.орошения.................................................... 346
7.6.1..Автоматизация.водонасосных.установок.для.ферм..
и.населенных.пунктов................................................................................... 346
7.6.2..Автоматизация.технологических.процессов.гидромелиорации....... 354
Контрольные вопросы и задания................................................................................... 359

Приложения......................................................................................................................... 361
1..Основные.законы.алгебры.логики.......................................................................... 361
2..Условные.графические.обозначения,.наиболее.широко.
применяемые.в.принципиальных.электрических.схемах.
проекта.автоматизации................................................................................................ 364
3..Буквенные.коды.позиционных.обозначений.элементов..
по.ГОСТ.2.710–81.на.принципиальных.электрических.схемах......................370

Литература............................................................................................................................ 374

Предисловие

В. современных. условиях. развития. производства. успешность.
производственной.деятельности.определяется.внедрением.экономически.выгодных.безотходных.ресурсо-.и.энергосберегающих.технологий.. Реализация. таких. технологий. возможна. только. на. базе.
интеллектуальных. автоматизированных. систем,. использующих.
последние. достижения. —. как. отечественные,. так. и. зарубежные..
Поэтому,.работая.над.образовательной.программой.по.автоматизации. для. современного. инженера,. необходимо. не. только. делать.
упор. на. традиционно. высокий. уровень. теории. автоматического.
управления,.типовые.алгоритмы.управления.технологическими.
процессами,.но.и.включать.в.нее.зарубежный.опыт.реализации.систем.управления.на.базе.микропроцессорных.устройств.управления.(МПУУ).
Издание.преследует.цель.дать.основы.автоматизации.технологических. процессов. на. базе. компьютерных. технологий. управления,.что.невозможно.без.четкого.представления.о.технологических.
требованиях. к. процессу,. знания. теории. автоматов. и. принципов.
реализации.систем.автоматического.управления,.умения.изложения.и.чтения.технического.решения.через.проектную.документацию.и.учета.особенностей.микропроцессорной.техники.и.технических. средств. автоматизации. при. реализации. систем. управления..
Поэтому.в.данном.пособии.приводятся.основные.термины.и.определения. автоматизации. технологических. процессов;. излагаются.
технологические.основы.автоматизации.технологических.процессов;. раскрываются. принципы. построения. и. функционирования.
технических.средств.автоматизации.(в.том.числе.цифровых),.методика.проектирования.и.настройки.систем.автоматического.управления.технологическими.процессами.(САУ.ТП);.отражается.структура.
проекта. автоматизации,. нормативные. требования. к. его. реализации.в.документации;.рассматриваются.примеры.построения.САУ.
ТП.на.базе.МПУУ.
При.написании.пособия.ставилась.задача.обобщить,.проанализировать.и.систематизировать.разработки.в.области.автоматизации.
технологических. процессов,. инженерные. методы. синтеза. систем.
автоматизированного. управления. технологическими. процессами.
с.учетом.функциональных.возможностей.современных.средств.автоматизации.

Список сокращений

.
АЛУ. —.арифметическо-логическое.устройство
.
АСУП. —.автоматизированная. система. управления. производством
.
АСУ. —.автоматизированная.система.управления
.АСУ.ТП. —.автоматизированная. система. управления. технологическим.процессом
.
АТП. —.автоматизация.технологических.процессов
.
АЦП. —.аналогово-цифровой.преобразователь
.
БИС. —.большая.интегральная.схема
.
ИМ. —.исполнительный.механизм
.
ИС. —.интегральная.схема
.
ИЭ. —.исполнительный.элемент
.
МП. —.микропроцессор
.
МПС. —.микропроцессорная.система
. МПСУ. —.микропроцессорная.система.управления
. МПУУ. —.микропроцессорное.устройство.управления
.
ОА. —.объект.автоматизации
.
ОЗУ. —.оперативное.запоминающее.устройство
.
ОУ. —.объект.управления
.
ПЗУ. —.постоянное.запоминающее.устройство
.
ПЛК. —.программируемый.логический.контроллер
.
ПТЛ. —.поточная.технологическая.линия
.
РКС. —.релейно-контактная.схема
.
РО. —.регулирующий.орган
.
РОН. —.регистр.общего.назначения
.
РП. —.регулирующий.прибор
.
САУ. —.система.автоматического.управления
.САУ.ТП. —.система.автоматического.управления.технологическим.
процессом
.
ТП. —.технологический.процесс
.
ТСА. —.технические.средства.автоматизации
.
ТУ. —.техническое.условие
.
ЦАП. —.цифро-аналоговый.преобразователь
.
ЦПУ. —.центральное.процессорное.устройство
.
ША. —.шина.адреса
.
ШД. —.шина.данных
.
ПУ. —.периферийные.устройства

Глава

1

ОснОвные пОнятия и Определения 
автОматизации технОлОгических 
прОцессОв

Основополагающими.понятиями.при.рассмотрении.принципов.автоматизации.технологических.процессов.являются.понятия.
системы,.автоматизации.и.управления.
Под.системой.(рис..1.1).понимается.некоторая.сущность,.состоящая. из. многих. компонентов. и. реагирующая. на. воздействия.
внешней. среды.. Система. способна. воспринимать. информацию.
из.внешней.среды,.перерабатывать.ее.по.некоторым.свойственным.
ей.алгоритмам.и.таким.образом.оказывать.воздействие.на.внешнюю.среду..Для.связи.с.внешним.миром.у.системы.имеются.входы.
и.выходы.
На.практике.можно.выделить.системы.естественного.и.искусственного.происхождения,.а.также.комбинированные.
Примером.естественной системы.может.служить.человек.или.
животное..Система.«человек».получает.информацию.через.органы.
чувств,.т.е..через.органы.зрения,.обоняния,.осязания,.вкуса,.слуха..
Способность.системы.разговаривать,.писать,.двигаться.обеспечивает.выход.информации.

Рис. 1.1. Обобщенная.схема.системы

Система

Вход 1

Вход 2

Вход n

...

Выход 1

Выход 2

Выход m

...

Глава 1. Основные понятия и определения
9

Пример.искусственной системы.—.система.управления.микроклиматом.в.теплице..Информация.о.состоянии.внешней.среды.от.
датчиков.температуры.и.влажности.поступает.в.систему..Выходом.
является.поступление.тепла.от.калорифера.или.движение.фрамуг,.
увлажнение.почвы.и.воздуха.
В.комбинированных системах.часть.функций.выполняется.автоматическими.устройствами,.а.часть.—.человеком.
Каждая.система.может.состоять.из.множества.подсистем,.имеющих.свои.входы.и.выходы.для.контакта.с.внешней.средой.и.другими.подсистемами..Отличительными.признаками.каждой.системы.
являются. информационные. параметры,. алгоритм. функционирования. и. способ. воздействия. данной. системы. или. подсистемы. на.
внешнюю.для.нее.среду.
В.современной.автоматике.системы управления.разделяют.на.
автоматизированные.системы.управления. производством. (АСУП),.
автоматизированные.системы.управления.технологическими.процессами.(АСУ.ТП).и.системы.автоматического.управления.технологическими.процессами.(САУ.ТП).
АСУП.—.это.человеко-машинная.система,.обеспечивающая.автоматизированный. сбор. и. обработку. информации,. необходимой.
для.оптимизации.и.управления.в.различных.сферах,.главным.образом. в. организационно-экономической. деятельности. человека,.
например:.управление.хозяйственно-плановой.деятельностью.отрасли,.предприятием,.комплексом,.территориальным.регионом.
АСУ ТП.—.это.тоже.человеко-машинная.система,.предназначенная.для.контроля.режимов.работы,.сбора.и.обработки.информации.
о.протекании.технологических.процессов.локальных.производств..
Обычно.АСУ.ТП.охватывают.отдельные.цеха,.животноводческие.
фермы.и.птицефабрики,.хранилища,.хозяйства.и.агрообъединения.
САУ ТП.представляет.собой.совокупность.автоматических.управляющих. устройств. и. управляемого. объекта,. взаимодействующих.
друг.с.другом.без.непосредственного.участия.человека..Это.чисто.
технические.устройства,.непосредственно.выполняющие.заданный.
алгоритм. функционирования. установок,. действующих. независимо.друг.от.друга..Они.находятся.на.самой.низкой.ступени.иерархической.лестницы.системы.управления,.на.средней.ступени.находятся.АСУ.ТП.и.на.более.высокой.—.АСУП.
АСУ.подразделяют.на.автоматизированные.и.автоматические.

Глава 1. Основные понятия и определения
10

Система автоматизированная. —. совокупность. управляемого.
объекта,.измерительной,.преобразующей,.передающей.и.исполнительной.аппаратуры,.в.которой.получение,.преобразование.и.передача.информации,.формирование.управляющих.команд.и.их.использование.для.воздействия.на.управляемый.процесс.осуществляется.
частично.автоматически,.а.частично.с.участием.людей-операторов.
Система автоматическая.—.совокупность.управляемого.объекта,.измерительной.и.управляющей.аппаратуры,.в.которой.(в.отличие. от. системы. автоматизированной). получение,. преобразование.и.передача.информации,.формирование.управляющих.команд.
и.их.использование.для.воздействия.на.управляемый.процесс.осуществляется.автоматически,.без.участия.человека.
Автоматизация. —. применение. технических. средств,. эко.номи.ко-математических.методов.и.систем.управления,.частично.или.
полностью.освобождающих.человека.от.непосредственного.участия.
в.процессах.получения,.преобразования,.передачи.и.использования.
энергии,.материалов.или.информации.[40,.с..10].
Автоматизируются:.технологические,.энергетические,.транспортные.и.другие.производственные.процессы;.проектирование.сложных.
агрегатов,.промышленных.сооружений,.производственных.комплексов;.организация,.планирование.и.управление.в.рамках.цеха,.предприятия,.строительства,.отрасли.и.т.д.;.научные.исследования,.медицинское.и.техническое.диагностирование,.программирование,.
инженерные.расчеты.и.т.д.
Цель автоматизации.—.повышение.производительности.и.эффективности. труда,. улучшение. качества. продукции,. отстранение.
человека.от.работы.в.условиях,.опасных.для.здоровья.
В.зависимости.от.функций,.выполняемых.специальными.автоматическими.устройствами,.различают.следующие.основные.виды 
автоматизации [30,. с.. 7]:. автоматический. контроль,. автоматическую.защиту.и.автоматическое.управление.
Автоматический контроль включает.автоматическую.сигнализацию,.измерение,.сортировку.и.сбор.информации.
Автоматическая сигнализация.предназначена.для.оповещения.
обслуживающего. персонала. о. предельных. или. аварийных. значениях.каких-либо.физических.параметров,.о.месте.и.характере.нарушений.технологического.процесса.(ТП).

Глава 1. Основные понятия и определения
11

По.характеру.сигнала.она.бывает.световой,.звуковой,.смешанной.. С в е т о в а я . сигнализация. может. осуществляться. ровным.
светом,.мигающим.светом,.горением.сигнальных.ламп.неполным.
накалом,.световыми.указателями.различных.цветов.. З в у к о в а я.
сигнализация. может. отличаться. по. тембру. звукового. сигнала.
(звонок,.гудок,.сирена.и.т.д.).
При.появлении.допустимых.отклонений.от.нормальных.значений.контролируемых.или.регулируемых.величин,.при.нарушениях. нормального. режима. работы. отдельных. агрегатов. или. всей.
установки.в.целом.используется.предупредительная.сигнализация.
(рис.. 1.2),. которая. указывает. обслуживающему. персоналу. на. необходимость.принятия.определенных.мер.для.устранения.возникающих.неисправностей.
Предупредительная.сигнализация.обычно.выполняется.индивидуально.в.виде.табло.или.транспаранта,.загорающегося.при.подаче.сигнала,.определяющего.характер.и.место.возникновения.ненормального.режима,.а.также.в.виде.общего.для.щита.управления.
звукового.сигнала,.предназначенного.для.привлечения.внимания.
эксплуатационного.персонала.
Автоматическое измерение позволяет. измерять. и. передавать.
на.специальные.указательные.или.регистрирующие.приборы.значения. физических. величин,. характеризующих. технологический.
процесс.или.работу.машин..Обслуживающий.персонал.по.показателям.приборов.судит.о.качестве.технологического.процесса.или.
о.режиме.работы.машин.и.агрегатов.
Автоматическая сортировка.осуществляет.контроль.и.разделение. продуктов. по. размеру,. весу,. твердости,. вязкости. и. другим.
показателям.(например,.сортировка.зерна,.яиц,.фруктов,.картофеля.
и.т.п.).

Рис. 1.2. Унифицированная.схема.предупредительной.сигнализации:
ОК. —. объект. контроля;. ПП. —. первичный. преобразователь;. УПУ. —. уси.литель.но-преобразовательное.устройство;.Ис.—.индикатор.(сигнализатор);.ВВ.—.
возмущающее.воздействие;.X(t).—.действительное.значение

X t( )
ОК

ВВ

X1
ПП

X2
УПУ

X3
Ис

Глава 1. Основные понятия и определения
12

Автоматический сбор информации. предназначен. для. получения.информации.о.ходе.ТП,.качестве.и.количестве.выпускаемой.
продукции.и.для.дальнейшей.обработки,.хранения.и.выдачи.этой.
информации.обслуживающему.персоналу.
Автоматическая защита.представляет.собой.совокупность.технических.средств,.которые.при.возникновении.ненормальных.и.аварийных.режимов.прекращают.контролируемый.производственный.
процесс.(рис..1.3)..Первичный.преобразователь.преобразует.контролируемый.параметр.X1.в.сигнал X2,.который.усиливается.в.усилительно-преобразовательном.устройстве.до.величины X3.и.подается.
на.исполнительное.устройство.(ИУ)..Сигнал.X4.ИУ.используется.
для. отключения. кинематического. или. энергетического. привода.
объекта.защиты..Автоматическая.защита.тесно.связана.с.автоматическим.управлением.и.сигнализацией..Она.воздействует.на.органы. управления. и. оповещает. обслуживающий. персонал. об. осуществленной.операции.
Автоматическое управление. включает. комплекс. технических.
средств.и.методов.по.управлению,.обеспечивающих.пуск.и.остановку.основных.и.вспомогательных.устройств,.безаварийную.работу,.соблюдение.требуемых.значений.параметров.в.соответствии.
с.заданными.технологическими.требованиями.
Управление. (управляющее. воздействие). —. целенаправленное.
воздействие.на.объект,.в.результате.которого.он.переходит.в.требуемое.состояние.
Сочетание. комплекса. технических. устройств,. реализующих.
автоматическое. управление,. с. объектом. управления. (ОУ). называют.системой автоматического управления.

Рис. 1.3. Унифицированная.схема.автоматической.защиты:
ОЗ.—.объект.защиты;.ПП.—.первичный.преобразователь;.УПУ.—.усилительнопреобразовательное. устройство;. ИУ. —. исполнительное. устройство;. ВВ. —.
возмущающее.воздействие

X t( )
ОЗ

ВВ

X1
ПП

X2
УПУ

X3
ИУ

X4

Контрольные вопросы и задания
13

Уровень автоматизации.—.рациональное.распределение.функций. между. человеком. и. автоматическими. устройствами;. определяется. на. стадии. разработки. технического. проекта. автоматизации.ТП.
Объем автоматизации. —. совокупность. технических. средств.
автоматического. управления,. контроля,. сигнализации. и. защиты,.
обеспечивающих.нормальное.функционирование.объекта.автоматизации.

Контрольные вопросы и задания

. 1.. Раскройте. содержание. основополагающих. понятий. автоматизации.
технологических.процессов.
. 2.. Какова.цель.автоматизации?
. 3.. Перечислите.основные.виды.автоматизации..Приведите.их.краткую.
характеристику.