Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Современная автоматика в системах управления технологическими процессами

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 425900.15.01
Доступ онлайн
от 492 ₽
В корзину
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. Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения. Для студентов технологических вузов.
14
45
319
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:

Только для владельцев печатной версии книги: чтобы получить доступ к дополнительным материалам, пожалуйста, введите последнее слово на странице №144 Вашего печатного экземпляра.

Ившин, В. П. Современная автоматика в системах управления технологическими процессами : учебник / В.П. Ившин, М.Ю. Перухин. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 407 с. : ил. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Специалитет). — DOI 10.12737/1216659. - ISBN 978-5-16-016698-8. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/1893654 (дата обращения: 12.04.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
СОВРЕМЕННАЯ
АВТОМАТИКА

В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ

В.П. ИВШИН
М.Ю. ПЕРУХИН

УЧЕБНИК

3-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебника 

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 18.05.01 «Химическая технология 

энергонасыщенных материалов и изделий» (квалификация «специалист»)

(протокол № 11 от 09.11.2020)

Москва
ИНФРА-М

202
УДК 681.5.01(075.8)
ББК 32.965я73
 
И25

Р е ц е н з е н т ы:

К.Х. Гильфанов, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации 
технологических процессов и производств Казанского 
государственного энергетического университета;

С.А. Терентьев, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики 
и управления Казанского национального исследовательского 
технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ

ISBN 978-5-16-016698-8 (print)
ISBN 978-5-16-109280-4 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

© Ившин В.П., Перухин М.Ю., 

2013, 2016

©  Ившин В.П., Перухин М.Ю., 

2021, с изменениями

Ившин В.П.

И25  
Современная автоматика в системах управления технологическими 

процессами : учебник / В.П. Ившин, М.Ю. Перухин. — 3-е изд., испр. 
и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 407 с. : ил. + Доп. материалы 
[Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Специалитет). — DOI 
10.12737/1216659.

ISBN 978-5-16-016698-8 (print)
ISBN 978-5-16-109280-4 (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. 

Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных 
стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов технологических вузов.

УДК 681.5.01(075.8)

ББК 32.965я73

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 зна-
чительного повышения производительности труда. Одним из важ-
нейших направлений, повышающих производительность труда, 
является освоение передовых технологий, таких как мембранная, 
лазерная, плазменная технологии, нанотехнология, а также исполь-
зование сверхвысоких давлений и импульсных нагрузок. Второе на-
правление — это автоматизация производства.
Автоматическое устройство – это устройство, выполняющее свои 
функции без вмешательства человека. Внедрение автоматически дей-
ствующих устройств в промышленное производство называется ав-
томатизацией. Автоматизация производства предполагает автома-
тический контроль технологических параметров, автоматическое 
регулирование, автоматическое или автоматизированное управле-
ние, а также защиту процессов и оборудования от аварийных ситуа-
ций, 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», «гороши-
на» (в переводе с языков древнего юго-востока). Единица аптекар-
ского 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. До-
ливо-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. Например, 
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 бази-
руется на широком использовании промышленных ЭВМ и персо-
нальных компьютеров, а также программируемых контроллеров 
в функциональных схемах автоматизированных систем управления 
технологическими процессами (АСУТП). Бурно развивается робо-
тотехника, внедряются роторно-конвейерные линии.

Классификация технологических процессов
по характеру процесса

Согласно временной характеристике технологические процессы 
по характеру могут быть подразделены на непрерывные, непрерыв-
но-дискретные и дискретные.
Непрерывные процессы – это процессы, в которых конечный про-
дукт 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, ограничен-
ное количество конечного продукта, периодически производимого 
порциями. Для них характерно наличие циклов и сочетание 
особенно стей непрерывного и дискретного процессов. Сырье и по-
луфабрикаты вводятся регламентированными дозами и в определен-
ной последовательности (операции смешивания и подачи энергии 
осуществляются в заданном порядке). После выполнения всех опе-
раций последовательной переработки продукции в соответствии с 
требованиями качества и рецептуры формируется порция конечного 
продукта (например, первичное виноделие и розлив, сахарорафи-
надное производство, стерилизация консервов, ферментация табака 
и чая и др.).
Дискретные процессы – это процессы, характеризующиеся перио-
дической повторяемостью различных преобразований или чередо-
ванием операций перемещения и дозирования, наиболее важных для 
управления при производстве штучных изделий. Для данных про-
цессов характерно большое количество однородных изделий во вре-
мени. 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 про-
цессов, устройств, элементов оборудования) реализуется простыми 

техническими средствами без сложной подготовки автоматизиру-
емого оборудования и процессов.
Комплексная автоматизация проводится на участке, в отделении, 
цехе, которые функционируют как единый взаимосвязанный ав-
томатизированный комплекс, т.е. при участии людей. Комплекс-
ная автоматизация возможна при высокоразвитом производстве с 
совершенной технологией и при прогрессивных методах управле-
ния 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: транс-
портирование к ним заготовок и деталей, полуфабрикатов и мате-
риалов, 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 (стационар-
ная 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 управля-
ющих 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 на-
личием движущегося шасси с автоматически управляемыми приво-
дами. Они могут быть колесные, шагающие (локомоционные), ко-
лесно-шагающие, гусеничные, плавающие, летающие. Часто мо-
бильные 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 автомати-
ческих 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 робототех-
нических 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 обра-
батывают по определенным алгоритмам и программам (в том числе 
адаптирующимся к обстановке и к постоянной задаче), выдают ре-
зультаты на дисплей или другие внешние устройства, а также авто-
матически 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 руч-
ного труда затрачивается на контрольно-измерительные операции. 
Назначение робототехники – автоматизация самого процесса конт-
роля и измерения и передача информации о необходимости подна-
ладки и пр. Эта задача должна быть решена для завершения ком-
плексной автоматизации производства и ликвидации однообразно-
го ручного труда.

Промышленные роботы классифицируют по различным призна-
кам, а именно: степени универсальности (технологическому назна-
чению), типу системы управления, типу кинематической схемы, 
грузоподъемности и виду приводов и т.д.
По степени универсальности (техническому назначению) про-
мышленные роботы бывают универсальными, специализированны-
ми и специальными.
Универсальные роботы конструктивно независимы от технологи-
ческого оборудования и ориентированы на выполнение широкого 
круга вспомогательных и основных производственных операций.
Специализированные роботы связаны с определенной номенкла-
турой оборудования, ими можно управлять от автономной или еди-
ной с обслуживаемым оборудованием системы управления.
Специальные роботы, как правило, встроены в обслуживаемое обо-
рудование, имеют конструкции, жестко связанные с видом техноло-
гической 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 ориен-
тации схвата относительно технологического оборудования, с кото-
рым взаимодействует робот. Конструкция «руки» промышленного 
робота может быть выдвижной или шарнирной. Число степеней сво-
боды, которые можно определить как число элементарных незави-
симых движений схвата, осуществляемых роботом, определяет под-
вижность механизма манипулятора. С увеличением числа свободы 
робот становится более универсальным и гибким, способным вы-
полнять 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 про-
мышленные роботы делят на три рода (поколения): программные, 
адаптивные и интеллектные (с элементами искусственного интел-
лекта) [45]. Все они обладают свойством быстрого перепрограмми-
рования на различные операции, причем в первом поколении пе-
репрограммирование проводится человеком, после чего робот 
дей ствует автоматически, многократно повторяя жестко заданную 
программу. Рассматриваются следующие системы управления пе-

ремещением органов манипулятора: цикловая, позиционная, кон-
турная.
В цикловой системе управления перемещения органов манипу-
лятора задаются кулачковыми упорами и отрабатываются конце-
выми выключателями. Их остановка происходит при достижении 
звеньями манипулятора заданных положений. В системе програм-
мируется последовательность движений, выдержка времени при 
остановках на упоре, выдача технологических команд и закрытие 
схвата. В цикловых системах роботы снабжаются быстродейству-
ющими пневматическими приводами. Они управляются либо с 
помощью электроники (релейно-контактной аппаратуры), либо с 
помощью пневматики (струйной техники). Последнюю применя-
ют преимущественно во взрывоопасных ситуациях, где нежела-
тельна электрическая аппаратура, а также в высокотемпературных 
и других особых условиях, неблагоприятно действующих на элек-
тронику. Система циклового управления является дискретной с 
достаточно простой логикой функционирования, поэтому система 
отличается сравнительно небольшой емкостью программоносите-
ля, простыми алгоритмами управления и небольшими габаритны-
ми размерами и стоимостью.
В позиционных системах управления существенно увеличен объ-
ем 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 дру-
гой технологической операции на том же участке. Кроме того, та-
кие подпрограммы могут дополнительно подключаться для конт-
рольных операций, сортировки изделий, обеспечения работы 
участка при появлении отдельных неисправностей [45].
Выполнение роботом технологических операций в автомати-
ческом режиме осуществляется в соответствии с алгоритмами, ре-
ализованными в программном обеспечении. Это относится к сиг-
налам управления приводами и схватом манипулятора, к последо-
вательности движений с определенными скоростями, к достаточно 
точному позиционированию схвата в заданных положениях, син-
хронизации действий робота с работой оборудования, а также 

Доступ онлайн
от 492 ₽
В корзину