Основы управления техническими процессами и системами

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

С. И. Паршаков, М. В. Ерпалов

Основы управления
техническими процессами 

и системами

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета 
в качестве учебного пособия для студентов вуза,
обучающихся по направлению подготовки
22.03.02, 22.04.02 — Металлургия
(специальность 05.16.05 —
Обработка металлов давлением)

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 669.012(075.8)
ББК 34.3-7я73
          П18

Рецензенты:
кафедра «Мехатроника» ФГБОУ ВО «Уральский государственный университет путей сообщения» (завкафедрой канд. физ.-мат. наук, доц. В. С. Тарасян);
д-р техн. наук, проф. О. С. Лехов (ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет»)

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. Ю. В. Инатович

 
Паршаков, С. И.
П18    Основы управления техническими процессами и системами : учебное 
пособие / С. И. Паршаков, М. В. Ерпалов. — Екатеринбург : Изд-во Урал. 
ун-та, 2017. — 148 с.

ISBN 978-5-7996-2036-3

Приведены теоретические основы контроля и управления техническими процессами и системами. Изложены элементы теории систем и моделирования, сведения о первичных преобразователях информации. Значительное внимание уделено 
основным положениям статики и динамики систем автоматического регулирования, а также элементам цифровой автоматики. Даны сведения об устройстве 
и архитектуре микропроцессоров и программируемых логических контроллеров.
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 
подготовки «Металлургия».

Библиогр.: 20 назв. Табл. 1. Рис. 67.

УДК 669.012(075.8)
ББК 34.3-7я73

ISBN 978-5-7996-2036-3 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2017

Предисловие

С

истемы автоматики и ее элементы нашли широкое применение 
в процессах прокатки, ковки, штамповки, трубного производства, прессования, а также волочения. В связи с этим изучение 
методов и систем контроля и управления технологическими процессами имеет крайне важное значение для успешного выпуска продукции 
общего и специального назначения. В работе рассмотрены принципы устройства и работы элементов систем автоматического управления и регулирования, методы расчета их характеристик, требования 
к выбору и настройке. Приведены сведения о представлении и обработке информации в системах автоматики.
Главной задачей данного учебного пособия является помощь в обучении базовым знаниям теоретических основ, практическим умениям 
и навыкам в области контроля и управления технологическими процессами; классификации и выбору приборов и других средств контроля и управления; принципам работы и устройств элементов автоматических и автоматизированных систем контроля и управления; методам 
определения характеристик систем контроля и управления; численному моделированию элементарных динамических звеньев и систем автоматического регулирования; принципам синтеза схем логического 
управления, а также основам разработки высокоэффективных и экономичных процессов обработки металлов давлением, в частности, относящихся к категории инновационных.

Основные определения

О

бъект управления (ОУ) — любое устройство, выполняющее 
обработку или преобразование вещества, энергии, информации, снабженное органами, которые позволяют изменять параметры обработки (преобразования). Например, это нагревательное 
устройство с возможностью получения требуемой температуры нагрева, двигатель под технологической нагрузкой с возможностью изменения частоты вращения, клеть прокатного стана с возможностью изменения раствора валков для получения заданной толщины полосы и др.
Контролируемый параметр — параметр, требуемое значение которого нужно получить или поддерживать. Это, например, температура в нагревательном устройстве, частота вращения двигателя, толщина прокатываемой полосы.
Обратная связь — информационная связь, обеспечивающая реакцию ОУ на изменение контролируемого параметра, например, увеличение подачи газа, если температура в печи опустилась ниже требуемого значения.
Инерционность — свойство объекта сохранять свое состояние во времени и пространстве при отсутствии внешних воздействий. Мерой 
этого свойства могут быть, например, масса, момент инерции, теплоемкость.
Чувствительность — свойство объекта давать ответ (реакцию) 
на внешнее воздействие. Чем чувствительнее объект, тем более слабые воздействия будут вызывать его реакцию.

1. 
Общие сведения  
об управлении техническими  
процессами и системами

1.1. Автоматизация контроля и управления
П

од контролем мы будем понимать регистрацию и обработку 
информации о параметрах технологического процесса, качестве продукции, состоянии рабочих машин и инструмента.
Под управлением будем понимать воздействие на аппараты и органы рабочих машин, изменяющее их состояние. Различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление. При ручном 
управлении воздействие осуществляется путем непосредственного 
изменения положения и состояния управляющих органов машины 
за счет физических усилий работника. Например, на стане 130 лаборатории кафедры «Обработка металлов давлением» Уральского федерального университета для задания величины обжатия валки перемещают, вращая нажимной винт. При автоматизированном управлении 
работник не прикладывает физических усилий. Устанавливая положение рукояток, верньеров, нажимая кнопки, оператор отдает команды промежуточному устройству — исполнительному механизму 
(сервомеханизм). Исполнительный механизм перемещает органы 
управления машины или измененяет состояния аппарата. При автоматическом управлении человек полностью исключен из цепочки 
действий по изменению состояния или перемещению органов управления и принимает участие только при наладке системы или подготовке алгоритма управления.

1.Общие сведения об управлении техническими процессами и системами   

Совокупность мероприятий, обеспечивающих исключение человека из технологического процесса, называют автоматизацией. За человеком остаются функции настройки систем управления, а также наблюдения за функционированием автоматических и автоматизированных 
устройств. В дальнейшем устройства (машины, системы), действующие без участия человека, мы будем называть автоматическими. Системы, в которых большинство операций выполняются без участия 
человека, но которые органически включают в свой состав оператора, выполняющего часть функций, не обеспеченных автоматикой, будем называть автоматизированными. Технологические процессы металлургического производства — прокатка, волочение, прессование, 
ковка, штамповка, плавка, литье и другие — имеют тенденцию перехода ко все более автоматизированным и в идеале к автоматическим 
системам контроля и управления.

1.2. Основные задачи и направления  
автоматизации контроля и управления

Совершенствованием и использованием систем контроля и управления на металлургических предприятиях, как правило, занимаются 
специалисты-технологи при участии привлеченных специалистов — 
электротехников, прибористов, электронщиков и экономистов. Технолог чаще выступает в роли системного интегратора, объединяющего усилия привлеченных специалистов для решения поставленной 
задачи. Особая роль в деле совершенствования систем отводится 
специалистам, осуществляющим проектирование технологических 
процессов, машин, инфраструктуры цеха и предприятия. Решения, 
закладываемые на этапе проектирования, определяют не только возможность применения систем контроля и управления, но и их структуру, затраты и эффективность. При этом достигается решение ряда 
важных задач:
1) снижение производственных затрат, т. е. повышение эффективности производства. Последнее достигается:
· за счет экономии энергетических ресурсов и материалов, например, при использовании оптимальных режимов работы 
оборудования;

1.2. Основные задачи и направления автоматизации контроля и управления 

· за счет уменьшения доли заработной платы в себестоимости 
продукции;
· ликвидации или сокращения дорогостоящего обслуживания, 
в частности, ночных смен, работы во вредных или опасных условиях, ручного труда;
· повышения выхода годного, снижения расходных коэффициентов;
· уменьшения простоев, увеличения срока службы инструмента и оборудования;
2) обеспечение безопасности жизнедеятельности:
· за счет вывода работников из опасных зон, опасных помещений путем применения дистанционного управления или замены рабочего машиной;
· использования систем блокировки и защиты;
· жесткого контроля за протеканием опасных химических реакций и процессов, например, при использовании водородных 
защитных сред при термообработке или щелочных расплавов 
для травления;
· использования систем автоматического пожаротушения, автоматического сброса давления при нештатных ситуациях;
· использования замкнутых циклов потребления воды и других 
жизненно важных ресурсов;
3) повышение производительности труда:
· путем более эффективного использования оборудования;
· уменьшения числа работающих на единицу готовой продукции;
· совмещения операций и профессий;
· увеличения скоростей рабочих машин и транспорта;
· сокращения затрат времени на замену инструмента и настройку;
4) повышение качества готовой продукции достигаемое:
· за счет введения непрерывного контроля за технологическими режимами;
· автоматического контроля за состоянием технологического 
инструмента и автоматизации его замены;
· внедрения автоматического неразрушающего контроля в потоке;

1.Общие сведения об управлении техническими процессами и системами   

· за счет регулирования режимов прокатки, волочения, прессования, нагрева и других технологических операций;
· жесткого всеобъемлющего входного контроля качества заготовки и вспомогательных материалов;
· адаптации режимов процессов к изменяющимся условиям;
5) обеспечение гибкости производства:
· за счет использования автоматически перенастраиваемых поточных линий и агрегатов непрерывного цикла;
· автоматизации замены технологического инструмента;
· ликвидации промежуточных инстанций между проектированием и изготовлением;
· использования логистики для контроля за движением заготовки, инструмента и вспомогательных материалов.
Совершенствование управления технологическими процессами 
в металлургии развивается по трем основным направлениям. Это — 
совершенствование технологии, совершенствование оборудования 
и совершенствование элементов систем контроля и управления.
Первое направление, связанное с совершенствованием технологии, 
включает решение следующих задач:
· переход от дискретных неоднородных процессов к непрерывным 
однородным, выполняемым в потоке;
· обеспечение устойчивости и надежности технологических режимов;
· обеспечение резервов по расходным материалам, мощностям рабочих машин и энергоресурсам;
· расчленение сложных операций на примитивы — простые действия или движения, сводимые к последовательностям включений и выключений исполнительных механизмов и устройств;
· алгоритмизация технологического процесса — представление 
его в виде линейного, циклического или древообразного непротиворечивого корректного алгоритма, предусматривающего 
необходимые ветвления в зависимости от условий или варианта задания;
· разработка рациональных (оптимальных) технологических режимов и определение допустимых диапазонов изменения технологических параметров;
· выявление важнейших факторов, определяющих качество и производительность;

1.2. Основные задачи и направления автоматизации контроля и управления 

· упрощение операций — замена сложных и громоздких технологических операций на простые четко определенные последовательности движений, действий;
· совмещение технологических операций во времени и пространстве, а также разработка временных диаграмм выполнения операций;
· разработка требований к качеству заготовки и вспомогательных 
материалов, обеспечивающих надежность и устойчивость выполнения технологических операций;
· разработка методов контроля технологических параметров и режимов;
· разработка методов учета металла и вспомогательных материалов, энергетических ресурсов;
· разработка методов мониторинга технологического процесса, 
обеспечивающего регистрацию значений технологических параметров и их привязку ко времени и исполнителю.
Направление совершенствования оборудования предусматривает:
· упрощение конструкции путем широкого использования стандартных узлов и деталей;
· обеспечение модульности рабочих и транспортных машин путем 
использования строительных и конструкторских модулей;
· применение эффективных способов подвода энергии и движения — использование гидравлики и пневматики, использование 
вариаторов и планетарных редукторов в механических системах;
· улучшение управляемости и гибкости оборудования, например, 
замену групповых приводов рабочих клетей индивидуальными, 
установку дополнительных исполнительных механизмов;
· при проектировании оборудования, выделение контрольных точек в опасных и тяжело нагруженных зонах, обеспечение возможности размещения датчиков;
· повышение живучести оборудования, использование равнопрочных деталей;
· обеспечение устойчивости работы оборудования;
· обеспечение самоблокировки машины при переходе в нештатный или нерасчетный режим работы;
· обеспечение резервов по мощностям, моментам, усилиям, прочностным характеристикам и размерам обрабатываемых изделий;
· дублирование критически важных элементов оборудования.

1.Общие сведения об управлении техническими процессами и системами   

Направление совершенствования элементов систем контроля 
и управления предусматривает:
· переход к цифровой форме представления информации для всех 
элементов системы;
· замену централизованных систем контроля и управления на распределенные сетевые;
· использование новых помехоустойчивых средств передачи информации между элементами системы;
· использование быстродействующих микропроцессорных средств 
обработки информации;
· существенное увеличение точек контроля за состоянием технологического оборудования и параметрами технологического процесса, использование для этой цели современных систем датчиков, выполненных методами интегральных и нанотехнологий;
· использование новых средств визуализации информации — защищенных операторских панелей, дисплеев, позволяющих представлять информацию в графической форме, активных мнемосхем, табло;
· использование современных алгоритмов обработки информации — быстрого преобразования Фурье для анализа сигналов, 
методов идентификации и оптимизации при выработке управляющих воздействий, алгоритмов нечеткой логики при управлении в условиях неопределенности;
· повышение надежности всех элементов устройств;
· использование универсальных покупных средств — программируемых логических контроллеров, стандартных сервоприводов, 
стандартного гидравлического и пневматического оборудования, 
универсальных датчиков;
· обеспечение мониторинга и документирования всех входных параметров систем управления и выработанных ими управляющих 
воздействий.
Перечисленные задачи и направления не исчерпывают всего развития систем контроля и управления в цехах обработки металлов давлением, но помогут инженеру-технологу при выборе вариантов технологии и оборудования.