Automatisierungsobjekte und ihre Eigenschaften

Automatisierungsobjekte (Steuerungsobjekte) — Dabei handelt es sich um Einzelanlagen, Zerspanungsmaschinen, Maschinen, Aggregate, Geräte, Maschinenkomplexe und Geräte, die gesteuert werden müssen. Sie sind in Zweck, Aufbau und Wirkprinzip sehr unterschiedlich.

Der Gegenstand der Automatisierung ist der Hauptbestandteil des automatischen Systems, der die Art des Systems bestimmt, daher wird seiner Untersuchung besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Die Komplexität eines Objekts wird hauptsächlich durch den Grad seines Wissens und die Vielfalt der von ihm ausgeführten Funktionen bestimmt. Die Ergebnisse der Untersuchung des Objekts müssen in Form klarer Empfehlungen hinsichtlich der Möglichkeit einer vollständigen oder teilweisen Automatisierung des Objekts oder des Fehlens der notwendigen Voraussetzungen für eine Automatisierung dargestellt werden.

Eigenschaften von Automatisierungsobjekten

Dem Entwurf eines automatischen Steuerungssystems muss eine Standortuntersuchung vorausgehen, um Standortbeziehungen festzustellen. Im Allgemeinen können diese Beziehungen als vier Variablensätze dargestellt werden.

Eine kontrollierte Störung, deren Sammlung den L-dimensionalen Vektor H = h1, h2, h3, ..., hL... bildet. Sie umfassen messbare Variablen, die von der äußeren Umgebung abhängen, wie zum Beispiel die Qualitätsindikatoren der Rohstoffe in der Gießerei, die Menge der im Dampfkessel verbrauchte Dampf, der Wasserdurchfluss im Durchlauferhitzer, die Temperatur der Luft im Gewächshaus, die je nach äußeren Umgebungsbedingungen und den Einflussfaktoren auf den Prozess variiert. Für kontrollierte Störungen gelten Einschränkungen hinsichtlich der technologischen Bedingungen.

Der Indikator des zu steuernden technologischen Prozesses wird als gesteuerte Größe (Koordinate) bezeichnet, und die physikalische Größe, durch die der Indikator des technologischen Prozesses gesteuert wird, wird als steuernde Aktion (Eingabegröße, Koordinate) bezeichnet.

Kontrollaktionen, deren Gesamtheit einen n-dimensionalen Vektor bildet X = x1, x2, x3, ..., xn... Sie sind unabhängig von der äußeren Umgebung und haben den größten Einfluss auf den technologischen Prozess. Mit ihrer Hilfe wird der Prozessablauf gezielt verändert.

Um Aktionen zu steuern Dazu gehören das Ein- und Ausschalten von Elektromotoren, Elektroheizungen, Stellantrieben, die Stellung von Regelventilen, die Stellung von Reglern usw.

Ausgabevariablen, dessen Menge den M-dimensionalen Zustandsvektor bildet Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Diese Variablen sind die Ausgabe des Objekts, die seinen Zustand charakterisiert und die Qualitätsindikatoren des Endprodukts bestimmt .

Unkontrollierte Störeinflüsse, deren Sammlung den G-dimensionalen Vektor F = ε1, ε2, ε3, …, εG... bildet. Dazu gehören solche Störungen, die aus dem einen oder anderen Grund, beispielsweise aufgrund fehlender Sensoren, nicht gemessen werden können.

Reis. 1.Ein- und Ausgänge des Automatisierungsobjekts

Die Untersuchung der betrachteten Beziehungen des zu automatisierenden Objekts kann zu zwei diametral entgegengesetzten Schlussfolgerungen führen: Es besteht eine strenge mathematische Abhängigkeit zwischen den Ausgangs- und Eingangsvariablen des Objekts, oder es besteht keine Abhängigkeit zwischen diesen Variablen, die durch eine zuverlässige Mathematik ausgedrückt werden kann Formel.

In Theorie und Praxis der automatischen Steuerung technologischer Prozesse liegen ausreichende Erfahrungen mit der Beschreibung des Zustands eines Objekts in solchen Situationen vor. In diesem Fall gilt das Objekt als eines der Glieder im automatischen Kontrollsystem. In Fällen, in denen die mathematische Beziehung zwischen der Ausgangsvariablen y und der Steuereingangsaktion x des Objekts bekannt ist, werden zwei Hauptformen der Aufzeichnung mathematischer Beschreibungen unterschieden – dies sind die statischen und dynamischen Eigenschaften des Objekts.

Statische Eigenschaft drückt in mathematischer oder grafischer Form die Abhängigkeit der Ausgabeparameter von der Eingabe aus. Binäre Beziehungen haben normalerweise eine klare mathematische Beschreibung, zum Beispiel hat die statische Kennlinie von Wiegespendern für Gussmaterialien die Form h = km (hier ist h der Verformungsgrad der elastischen Elemente; t ist die Masse des Materials; k ist der Proportionalitätsfaktor, der von den Eigenschaften des Materials des elastischen Elements abhängt).

Bei mehreren variablen Parametern können Nomogramme als statische Merkmale verwendet werden.

Die statische Beschaffenheit des Objekts bestimmt die spätere Bildung von Automatisierungszielen. Aus Sicht der praktischen Umsetzung in der Gießerei lassen sich diese Ziele auf drei Arten reduzieren:

• Stabilisierung der Anfangsparameter des Objekts;

• Ändern der Ausgabeparameter gemäß einem bestimmten Programm;

• Änderung der Qualität einiger Ausgabeparameter, wenn sich die Prozessbedingungen ändern.

Aufgrund der Vielzahl miteinander verbundener Faktoren, die den Prozessablauf beeinflussen, des Vorhandenseins unkontrollierbarer Faktoren und der mangelnden Kenntnis des Prozesses können viele technische Objekte jedoch nicht mathematisch beschrieben werden. Solche Objekte sind aus Sicht der Automatisierung komplex. Der Grad der Komplexität wird durch die Anzahl der Ein- und Ausgänge des Objekts bestimmt. Solche objektiven Schwierigkeiten ergeben sich bei der Untersuchung von Prozessen, die durch Stoff- und Wärmeübertragung reduziert werden. Daher sind bei ihrer Automatisierung Annahmen oder Bedingungen erforderlich, die zum Hauptziel der Automatisierung beitragen sollen – die Effizienz des Managements durch maximale Annäherung der technologischen Modi an die optimalen zu steigern.

Um komplexe Objekte zu untersuchen, wird eine Technik verwendet, die in einer bedingten Darstellung eines Objekts in Form einer „Black Box“ besteht. Gleichzeitig werden nur externe Zusammenhänge untersucht und auch nicht die Morgenstruktur des Systems berücksichtigt, d. h. es wird untersucht, was das Objekt tut, nicht wie es funktioniert.

Das Verhalten des Objekts wird durch die Reaktion der Ausgabewerte auf Änderungen der Eingabewerte bestimmt. Das wichtigste Werkzeug zur Untersuchung eines solchen Objekts sind statistische und mathematische Methoden. Methodisch erfolgt die Untersuchung des Objekts wie folgt: Die Hauptparameter werden bestimmt, eine diskrete Reihe von Änderungen der Hauptparameter wird ermittelt, die Eingabeparameter des Objekts werden innerhalb der festgelegten diskreten Reihe künstlich geändert, alle Änderungen Dabei werden die Ausgaben erfasst und die Ergebnisse statistisch aufbereitet.

Dynamische Eigenschaften Ein Automatisierungsgegenstand wird durch eine Reihe seiner Eigenschaften bestimmt, von denen einige zu einem qualitativ hochwertigen Steuerungsprozess beitragen, andere ihn behindern.

Von allen Eigenschaften von Automatisierungsobjekten, unabhängig von ihrer Vielfalt, lassen sich die wichtigsten und charakteristischsten unterscheiden: Kapazität, Fähigkeit zur Selbstausrichtung und Verzögerung.

Kapazität ist die Fähigkeit eines Objekts, die Arbeitsumgebung anzusammeln und im Objekt zu speichern. Die Ansammlung von Materie oder Energie ist dadurch möglich, dass in jedem Objekt ein Ausgangswiderstand vorhanden ist.

Das Maß für die Kapazität des Objekts ist der Kapazitätskoeffizient C, der die Menge an Materie oder Energie charakterisiert, die dem Objekt zugeführt werden muss, um den Regelwert um eine Einheit in der akzeptierten Messgröße zu ändern:

wobei dQ die Differenz zwischen Zufluss und Verbrauch von Materie oder Energie ist; ru – kontrollierter Parameter; Es ist Zeit.

Die Größe des Kapazitätsfaktors kann je nach Größe der gesteuerten Parameter unterschiedlich sein.

Die Änderungsrate des gesteuerten Parameters ist umso kleiner, je größer der Kapazitätsfaktor des Objekts ist. Daraus folgt, dass es einfacher ist, Objekte zu steuern, deren Kapazitätskoeffizienten größer sind.

Selbstnivellierend Dabei handelt es sich um die Fähigkeit eines Objekts, nach einer Störung in einen neuen stationären Zustand zu gelangen, ohne dass ein Steuergerät (Regler) eingreifen muss. Objekte mit Selbstausrichtung werden als statisch bezeichnet, Objekte ohne diese Eigenschaft werden als neutral oder astatisch bezeichnet . Die Selbstausrichtung trägt zur Stabilisierung der Steuerparameter des Objekts bei und erleichtert die Bedienung des Steuergeräts.

Selbstnivellierende Objekte werden durch einen Selbstnivellierungskoeffizienten (Grad) gekennzeichnet, der wie folgt aussieht:

Abhängig vom Selbstnivellierungskoeffizienten nehmen die statischen Eigenschaften des Objekts eine unterschiedliche Form an (Abb. 2).

Abhängigkeit des geregelten Parameters von der Last (relative Störung) bei verschiedenen Selbstnivellierungskoeffizienten: 1-ideale Selbstnivellierung; 2 – normale Selbstnivellierung; 3 – mangelnde Selbstnivellierung

Abhängigkeit 1 charakterisiert ein Objekt, dessen Regelgröße sich bei Störungen nicht ändert, ein solches Objekt benötigt keine Steuergeräte. Abhängigkeit 2 spiegelt die normale Selbstausrichtung des Objekts wider, Abhängigkeit 3 ​​charakterisiert ein Objekt, das keine Selbstausrichtung aufweist. Der Koeffizient p ist variabel, er steigt mit zunehmender Belastung und hat in den meisten Fällen einen positiven Wert.

Eine Verzögerung — Dies ist die Zeit, die zwischen dem Moment der Unwucht und dem Beginn der Änderung des kontrollierten Werts des Objekts vergeht. Dies ist auf das Vorhandensein von Widerstand und die Dynamik des Systems zurückzuführen.

Es gibt zwei Arten von Verzögerungen: reine (oder Transportverzögerung) und transiente (oder kapazitive) Verzögerungen, die zur Gesamtverzögerung im Objekt beitragen.

Die reine Verzögerung erhielt ihren Namen, weil es bei Objekten, in denen sie existiert, zu einer Änderung der Reaktionszeit der Ausgabe des Objekts im Vergleich zu der Zeit kommt, zu der die Eingabeaktion auftritt, ohne dass sich die Größe und Form der Aktion ändert. Eine Anlage, die mit maximaler Last betrieben wird oder in der sich ein Signal mit hoher Geschwindigkeit ausbreitet, weist die minimale Nettoverzögerung auf.

Eine vorübergehende Verzögerung tritt auf, wenn der Stoff- oder Energiefluss die Widerstände zwischen der Kapazität des Objekts überwindet.Sie wird durch die Anzahl der Kondensatoren und die Größe der Übergangswiderstände bestimmt.

Reine und vorübergehende Verzögerungen verschlechtern die Steuerungsqualität; Daher ist es notwendig, sich um eine Reduzierung ihrer Werte zu bemühen. Zu den beitragenden Maßnahmen gehören die Platzierung von Mess- und Steuergeräten in unmittelbarer Nähe des Objekts, der Einsatz von empfindlichen Elementen mit geringer Trägheit, die strukturelle Rationalisierung des Objekts selbst usw.

Die Ergebnisse der Analyse der wichtigsten Merkmale und Eigenschaften der zu automatisierenden Objekte sowie die Methoden ihrer Untersuchung ermöglichen eine Formulierung eine Reihe von Anforderungen und Bedingungen, deren Erfüllung die Möglichkeit einer erfolgreichen Automatisierung gewährleistet. Die wichtigsten sind die folgenden:

• mathematische Beschreibung von Objektbeziehungen, dargestellt in Form statischer Merkmale; für komplexe Objekte, die nicht mathematisch beschrieben werden können – die Verwendung mathematischer und statistischer, tabellarischer, räumlicher und anderer Methoden zur Untersuchung der Beziehungen eines Objekts auf der Grundlage der Einführung bestimmter Annahmen;

• Konstruktion der dynamischen Eigenschaften des Objekts in Form von Differentialgleichungen oder Diagrammen zur Untersuchung transienter Prozesse im Objekt unter Berücksichtigung aller Haupteigenschaften des Objekts (Kapazität, Verzögerung, Selbstnivellierung);

• die Verwendung solcher technischen Mittel am Objekt, die die Freigabe von Informationen über die Änderung aller interessierenden Parameter des Objekts in Form von einheitlichen, von Sensoren gemessenen Signalen gewährleisten würden;

• die Verwendung von Aktoren mit gesteuerten Antrieben zur Steuerung des Objekts;

• Festlegung zuverlässig bekannter Grenzen für Änderungen der externen Störungen des Objekts.

Zu den untergeordneten Anforderungen gehören:

• Ermittlung der Randbedingungen für die Automatisierung entsprechend den Steuerungsaufgaben;

• Festlegung von Beschränkungen für eingehende Mengen und Kontrollmaßnahmen;

• Berechnung von Kriterien für Optimalität (Effizienz).

Ein Beispiel für ein Automatisierungsobjekt ist eine Anlage zur Formsandaufbereitung in einer Gießerei

Der Prozess der Formsandherstellung besteht aus der Dosierung der Ausgangskomponenten, deren Zuführung zum Mischer, dem Mischen der fertigen Mischung und der Zuführung zu den Formanlagen sowie der Verarbeitung und Regenerierung der verbrauchten Mischung.

Die Ausgangsmaterialien der häufigsten Sand-Ton-Mischungen in der Gießereiproduktion: Abfallmischung, frischer Sand (Füllstoff), Ton oder Bentonit (Bindemittelzusatz), gemahlene Kohle oder kohlenstoffhaltige Materialien (Antihaftzusatz), feuerfeste und spezielle Zusätze (Stärke). , Melasse) und auch Wasser.

Die Eingangsparameter des Mischprozesses sind die Kosten der angegebenen Formstoffe: verbrauchte Mischung, frischer Sand, Ton oder Bentonit, gemahlene Kohle, Stärke oder andere Zusatzstoffe, Wasser.

Ausgangsparameter sind die erforderlichen mechanischen und technologischen Eigenschaften der Formstoffmischung: Trocken- und Nassfestigkeit, Gasdurchlässigkeit, Verdichtung, Formbarkeit, Fließfähigkeit, Schüttdichte usw., die durch Laboranalysen kontrolliert werden.

Darüber hinaus zählen zu den Ausgangsparametern auch die Zusammensetzung der Mischung: der Gehalt an aktiven und wirksamen Bindemitteln, der Gehalt an Aktivkohle, der Feuchtigkeitsgehalt bzw. der Benetzungsgrad des Bindemittels, der Gehalt an Feinanteilen – feuchtigkeitsabsorbierenden Feinpartikeln und die granulometrische Zusammensetzung der Mischung oder der Feinheitsmodul.

Gegenstand der Prozesskontrolle ist somit die Zusammensetzung der Bestandteile des Gemisches. Durch die Bereitstellung einer optimalen experimentell ermittelten Zusammensetzung der Komponenten der fertigen Mischung ist es möglich, eine Stabilisierung der mechanischen und technologischen Eigenschaften der Mischung auf einem bestimmten Niveau zu erreichen.

Die Störungen, denen das Gemischaufbereitungssystem ausgesetzt ist, erschweren die Stabilisierung der Qualität des Gemischs erheblich. Der Grund für die Störung ist das Vorhandensein einer Rezirkulationsströmung – die Nutzung des Abfallgemisches. Der größte Kritikpunkt bei der Mischgutzubereitung sind die Gießvorgänge. Unter dem Einfluss von flüssigem Metall kommt es in dem Teil der Mischung, der sich in unmittelbarer Nähe des Gussstücks befindet und auf hohe Temperaturen erhitzt wird, zu tiefgreifenden Veränderungen in der Zusammensetzung des aktiven Bindemittels, Kohle und Stärke und deren Übergang in eine inaktive Komponente.

Die Zubereitung der Mischung besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Prozessen: dem Dosieren oder Mischen der Mischung, das die erforderliche Zusammensetzung der Komponente gewährleistet, und dem Mischen, das die Erzielung einer homogenen Mischung gewährleistet und ihr die erforderlichen technologischen Eigenschaften verleiht.

Im modernen technologischen Verfahren zur Herstellung von Formstoffmischungen werden kontinuierliche Verfahren zur Dosierung von Roh-(Formstoff-)Materialien eingesetzt, deren Aufgabe es ist, einen kontinuierlichen Fluss einer konstanten Materialmenge oder seiner einzelnen Komponenten mit Abweichungen von der Durchflussmenge zu erzeugen nicht mehr gegeben als zulässig.

Die Automatisierung des Mischvorgangs als Steuerungsobjekt kann wie folgt erfolgen:

• rationeller Aufbau von Systemen zur Herstellung einer Mischung, die es ermöglichen, den Einfluss von Störungen auf die Zusammensetzung der Mischung auszuschließen oder zu reduzieren;

• die Verwendung von Wiege-Dosiermethoden;

• Schaffung vernetzter Steuerungssysteme für die Mehrkomponentendosierung unter Berücksichtigung der Dynamik des Prozesses (Trägheit und Verzögerung des Mischers), wobei die Hauptkomponente die verbrauchte Mischung sein sollte, die erhebliche Schwankungen in Durchflussmenge und Zusammensetzung aufweist;

• automatische Kontrolle und Regulierung der Qualität der Mischung während ihrer Zubereitung;

• Schaffung automatischer Geräte zur komplexen Kontrolle der Zusammensetzung und Eigenschaften der Mischung mit Verarbeitung der Kontrollergebnisse auf einem Computer;

• rechtzeitige Änderung der Mischungsrezeptur bei Änderung des Mischungs-/Metallverhältnisses in der Form und der Abkühlzeit des Gussstücks vor dem Prägen.