Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
Интеллектуальная автоматика
в курсовых и дипломных проектах
Том 1
Учебное пособие
Казань
КГТУ
2010
УДК 658.5:66
ББК 32.965
И 28
Ившин, В.П.
Интеллектуальная автоматика в курсовых и дипломных проектах: учебное
пособие (Том 1)/ В.П.Ившин, М.Ю.Перухин, И.А.Дюдина, А.В.Фафурин - Казань:,
Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2010. <...> К числу приборов, основанных на компенсационном методе,
относятся потенциометры, уравновешенные мосты, дифманометры с силовой
компенсацией и др. <...> Основные виды средств измерений – это меры; измерительные
преобразователи; измерительные приборы; измерительные устройства и
информационно – измерительные системы [1]. <...> Измерительные преобразователи в зависимости от их назначения и функций
подразделяются на первичные, нормирующие, выходные, масштабные и т.д. <...> Если в измерительной цепи кроме первичного преобразователя
последовательно подключены и некоторые другие преобразователи из
перечисленных выше, то совокупность всех преобразователей в данной цепи (вместе
с первичным преобразователем) называют обобщенным преобразователем. <...> Ясно,
что в простейшем случае обобщенный датчик может включать только первичный
преобразователь. <...> Измерительные преобразователи классифицируются по виду контролируемой
величины: преобразователи температуры, давления, расхода, уровня и т.д.; по
принципу
действия:
преобразователи
пневмоэлектрические,
электропневматические. <...> Измерительные преобразователи классифицируются по виду естественных
входных (X) и выходных (Y) сигналов. <...> Общие сведения о Государственной системе приборов
и средств автоматизации (ГСП)
Выходными сигналами первичных преобразователей могут быть ТЭДС
термопары, электрическое сопротивление термометра, напряжение переменного
тока, прогиб мембраны манометра и т.п. <...> Взаимозаменяемость <...>
Интеллектуальная_автоматика_в_курсовых_и_дипломных_проектах_(том1)._Учебное_пособие.pdf
УДК 658.5:66
ББК 32.965
И 28
Ившин, В.П.
Интеллектуальная автоматика в курсовых и дипломных проектах: учебное
пособие (Том 1)/ В.П.Ившин, М.Ю.Перухин, И.А.Дюдина, А.В.Фафурин - Казань:,
Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2010. - 277 с.
ISBN 978-5-7882-0965-4
Учебное пособие предоставляет студентам алгоритм самостоятельных действий
по усвоению материала. Пособие содержит около 100 функциональных схем
контроля и регулирования технологических параметров и будет, несомненно, полезно
студентам всех форм обучения, изучающих дисциплину СУХТП, при выполнении
ими дипломных (курсовых) проектов и дипломных работ.
Подготовлено на кафедре «Автоматизированные системы сбора и обработки
информации» (АССОИ).
Табл.24. Ил.272 Библиогр. назв.: 33
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского
государственного технологического университета
Рецензенты: Начальник НИО-16 ФГУП ВНИИР, к.т.н.
В.М. Красавин
Профессор кафедры спецдвигателей КГТУ (КАИ) А.С. Черенков
ISBN 978-5-7882-0965-4
©Ившин В.П., Перухин М.Ю.,
Дюдина И.А., Фафурин А.В., 2010
© Казанский государственный
технологический университет, 2010
2
Стр.2
Содержание
Предисловие ………………………………………………………………………… 3
Введение ……………………………………………………………………………...
Классификация технологических процессов по характеру процесса …………. 3
Классификация технологических процессов в зависимости от поставленных
задач ………………………………………………………………………………….
4
Использование промышленных роботов в производственном процессе …….. 4
Классификация промышленных роботов по типу систем управления ………… 6
ГЛАВА 1. Система автоматического контроля (САК) технологических
параметров ………………………………………………………………………….
Технические средства контроля технологических параметров …………….. 10
§1. Некоторые понятия метрологии (науки об измерениях) …………….
Классификация измерений по способу получения результата на
прямые, косвенные и совокупные ……………………………………………..
Классификация погрешностей измерений ……………………………………. 11
10
10
10
Средства измерений. Классификация средств измерения по виду …………. 12
Классификация средств измерений по назначению и по роли в процессе
измерения ………………………………………………………………………… 13
Классификация измерительных преобразователей …………………………..
13
Классификация измерительных приборов по способу отсчета показаний .. 14
Чувствительность измерительного прибора и цена деления шкалы ………… 15
Градуировочная характеристика средств измерения …………………………... 16
Градуировка приборов …………………………………………………………… 16
Погрешности средств измерений. Погрешность меры ………………………. 16
Погрешность измерительного прибора ………………………………………… 16
Погрешность измерительного устройства ……………………………………... 19
§2. Общие сведения о Государственной системе приборов и средств
автоматизации (ГСП) …………………………………………………………... 20
§3. Структурная схема системы автоматического контроля (САК) …..
§4. Теплоэнергетические параметры (давление, температура, расход,
уровень) ………………………………………………………………………….
4.1. Контроль давления ………………………………………………………..
Определение понятия «давление» и соотношение между единицами
давления ………………………………………………………………………….
Классификация приборов для измерения давления по виду измеряемого
давления ………………………………………………………………………….
4.1.1. Классификация приборов для измерения давления
по
принципу действия ………………………………………………………… 24
4.1.1.1. Жидкостные манометры ……………………………………….
25
4.1.1.2. Деформационные манометры ………………………………… 25
Классификация пружинных приборов для измерения давления по
типу чувствительного элемента ……………………………………….
Устройство, принцип действия и область применения приборов с
упругими чувствительными элементами ……………………………..
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной …………………...
Манометры с многовитковой трубчатой пружиной ………………….
26
27
25
26
21
23
23
23
24
стр.
3
271
Стр.271
Мембранный манометр ……………………………………………..….. 27
Манометр с сильфонным чувствительным элементом ………………. 28
Возможные источники систематических погрешностей приборов с
упругим чувствительным элементом ………………………………….
Устройство и принцип действия грузопоршневого манометра МП -60 29
4.1.1.3. Электрические манометры ……………………………………..
32
29
30
Классификация измерительных преобразователей давления ……… 30
Классификация электрических манометров ……………………… 32
Емкостной манометр ………………………………………………….
Пьезоэлектрические датчики ……………………………………….. 33
Пьезорезистивный датчик давления ………………………………… 34
Манометр сопротивления …………………………………………….
Проволочный тензодатчик …………………………………………...
35
36
Фольговые тензодатчики ……………………………………………. 37
Пленочные тензодатчики ……………………………………………. 39
Ионизационный манометр …………………………………………… 40
Резонансный метод …………………………………………………… 40
Индуктивный метод ………………………………………………….. 40
4.1.2. Электрические датчики давления «Сапфир» ………………….
Устройство и принцип действия датчика избыточного давления
41
«Сапфир-22 ДИ» …………………………………………………………… 42
Тензорезисторный измерительный преобразователь
разности
давлений «Сапфир» ……………………………………………………….
43
Интеллектуальные датчики давления ЗАО «Промышленная группа
«МЕТРАН» ………………………………………………………………… 44
Интеллектуальные датчики давления серии Метран – 150 …………… 45
Характеристики датчиков давления Метран-150 ……………………… 45
Устройство и принцип действия микроэлектронных датчиков
давления «МИДА» ………………………………………………………… 47
Микроэлектронный датчик избыточного давления МИДА–ДИ–13П .. 48
Реле давления – РД ………………………………………………………. 49
4.2. Контроль температуры …………………………………………………..
50
Температурные шкалы ………………………………………………………… 50
4.2.1. Классификация приборов контроля температуры ……………… 51
4.2.1.1. Термометры расширения ………………………………………..
Жидкостные термометры ………………………………………………… 52
Дилатометрические
52
4.2.1.2.
и
биметаллические
преобразователи …………………………………………………….
54
Датчики – реле температуры. Устройства терморегулирующие
дилатометрические ТУДЭ ………………………………………………… 56
4.2.1.3. Манометрические термометры ………………………………… 57
4.2.1.4. Термоэлектрические термометры ……………………………… 58
Термоэлектрический преобразователь ………………………………….. 58
Требования к материалу для изготовления термоэлектрических
преобразователей (термопар) ……………………………………………..
60
Конструктивное оформление термопар ………………………………... 60
Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых температур … 62
272
Стр.272
Термоэлектродные провода ……………………………………………..
62
Способы компенсации изменения температуры холодных спаев
термопары ………………………………………………………………… 63
Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте с
термопарами для измерения температуры ……………………………..
64
Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра ……… 64
Схема автоматического введения поправки на температуру
холодных спаев ………………………………………………………… 65
Сущность компенсационного метода измерения ТЭДС ……………. 66
Потенциометры …………………………………………………………. 66
Функциональная
схема
автоматического
электронного
потенциометра ………………………………………………………….. 67
Достоинства термоэлектрических термометров ……………………… 69
Преобразователи термоэлектрические с унифицированным токовым
выходным сигналом (типа ТХАУ (хромель-алюмель)) ……………… 69
Система автоматического контроля температуры целевого продукта
в точке А на выходе из теплообменника с использованием ТХАУ ….
4.2.1.5. Термометры сопротивления ………………………………….
металлических
термопреобразователей
сопротивления …………………………………………………………..
Полупроводниковые
70
72
Термопреобразователь сопротивления ………………………………. 72
Материалы металлических термопреобразователей сопротивления . 72
Конструкция
73
термомопреобразователи сопротивления
(термисторы) ……………………………………………………………. 74
Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте с
термопреобразователями сопротивления …………………………….. 75
Уравновешенные мосты ……………………………………………….. 75
Неуравновешенные мосты ……………………………………………. 78
Логометры ……………………………………………………………... 79
Термопреобразователи сопротивления
с унифицированным
токовым выходным сигналом (примеры термопреобразователей
сопротивления – медного ТСМУ Метран-274 и платинового ТСПУ
Метран -276) со встроенным измерительным преобразователем) …. 81
4.2.2. Пирометры (инфракрасные термометры) ……………………….. 82
4.2.3. Интеллектуальные датчики температуры ………………………..
Интеллектуальные преобразователи температуры (ИПТ) серии Метран
– 280 ………………………………………………………………………….
4.2.4.
устройства
коммуникационного
85
87
Конструктивные особенности и принцип действия датчиков ………….. 88
Интеллектуальные датчики температуры AUTROL ATT2100 ………… 89
Беспроводные измерительные преобразователи температуры …………..
Управляющие
90
протокола HART …………………………………………………………….. 91
Конфигурационная программа HART-Master ………………………….. 92
4.3. Контроль расхода ………………………………………………………… 94
Приборы для измерения расхода и количества вещества ………………… 94
Основные принципы измерения расхода …………………………………… 94
Классификация приборов для измерения расхода и количества ………….. 95
4.3.1. Сущность измерения расхода по методу переменного
перепада давлений ………………………………………………………….
96
Типы сужающих устройств, регламентированные РД 50-213-80 ……….. 96
Дифманометр типа ДМ ……………………………………………………… 99
Источники возможных погрешностей комплекта – расходомера при
273
Стр.273
измерении расхода методом переменного перепада давлений …………… 101
4.3.2. Осредняющие напорные трубки ………………………………….
101
4.3.3. Расходомеры обтекания. Ротаметры……………………………… 103
Устройство и принцип действия промышленного поплавкового
расходомера типа РЭ ……………………………………………………….. 105
4.3.4. Тахометрические расходомеры …………………………………..
4.3.5. Электромагнитный метод измерения расхода жидкости …….
4.3.6. Вихревые расходомеры ……………………………………………..
106
108
109
4.3.7. Ультразвуковые расходомеры …………………………………… 111
4.3.8. Кориолисовые (массовые) расходомеры ………………………..
4.3.9. Расходомер сыпучих веществ DensFlow ………………………..
4.3.10. Измерение расхода на основе тепловых явлений …………….
113
116
117
4.3.10.1. Калориметрические расходомеры ……..……………………. 117
4.3.10.2. Термоконвективные расходомеры ..………………………… 118
4.3.10.3. Термоанемометры ………...………………………………….
119
4.4. Контроль уровня …………………………………………………………. 120
4.4.1. Методы измерения уровня жидкости, применяемые в
химической промышленности …………………………………………… 120
С помощью указательных стекол ……………………………………….. 120
С помощью поплавковых уровнемеров ………………………………… 120
С помощью гидростатических уровнемеров …………………………... 121
Кондуктометрические уровнемеры …………………………………… 122
Ультразвуковые уровнемеры принцип действия которых основан на
измерении временного интервала между излученным и отраженным
сигналами ………………………………………………………………… 122
Фотоэлектрические уровнемеры ……………………………………….. 126
Радарные измерители уровня (бесконтактные) ……………………….. 127
Радарные измерители уровня (контактные). Метод направленного
электромагнитного излучения ………………………………………….. 128
Акустический уровнемер ЗОНД-3М ……………………………………. 130
Измерение уровня внешней поверхности и поверхности раздела
двух жидкостей ………………………………………………………….. 131
Датчики-реле уровня жидкости поплавковые ДРУ-1ПМ …………….. 132
Высокоточное измерение уровня жидкости по магнитострикционному
принципу ………………………………………………………………….
133
4.4.2. Методы измерения уровня сыпучих материалов,
применяемые в химической промышленности ……………………….. 135
Поплавковый уровнемер ………………………………………………… 135
Емкостной уровнемер ……………………………………………………. 135
Принцип действия сигнализатора уровня ……………………………… 136
Сигнализатор уровня с вибрационной вилкой ………………………... 136
Весовые уровнемеры сыпучего материала …………………………….. 137
4.4.3. Беспроводной интеллектуальный преобразователь ………… 138
§5. Контроль параметров качества (состава и свойств веществ) ………... 140
Приборы качественного и количественного анализа ……………………... 140
5.1.Определение молекулярного состава ………………………………….. 140
5.1.1. Масс-спектрометры ………………………………………………… 141
5.1.2. Хроматографы ……………………………………………………… 141
274
Стр.274
Хроматограф GC1000 Mark II ……………………………………………. 142
5.1.3.
Универсальный
многоканальный
газоанализатор
автоматического непрерывного контроля «ГАНК-4» ………………… 143
5.1.4. Комплексный анализатор дымовых газов SG700 ……………….. 144
5.1.5. Парамагнитный анализатор кислорода в газах MG8 ………… 144
5.1.6. Концентратомер КСО-У2 …………………………………………. 145
5.2. Определение свойств веществ …………………………………………. 145
5.2.1. Измерение плотности жидкостей и газов ……………………… 145
Весовые плотномеры ………………………………………………………. 146
Поплавковые (ареометрические) плотномеры …………………………. 146
Вибрационные плотномеры ……………………………………………… 146
5.2.2. Измерение вязкости веществ …………………………………… 148
5.2.3. Измерение влажности газов и твердых тел …………………... 148
5.2.3.1. Контроль относительной влажности газов …………………….
149
Психрометрический метод ……………………………………………….. 149
Метод точки росы ……………………………………………………… 150
Измерительные преобразователи температуры и влажности РОСА-10 151
Измеритель-регулятор температуры и влажности ИРТВ-5215 ………. 151
5.2.3.2. Контроль влажности твердых (сыпучих) тел …………… 152
5.2.4. рН-метры …………………………………………………………... 152
5.2.5. Измеритель проводимости SC202 ……………………………… 153
5.2.6. Измерение мутности ……………………………………………… 154
5.2.7. Измерение цвета …………………………………………………... 155
Колориметры ……………………………………………………………… 158
Колориметр АТТ – 1511 ………………………………………………….. 158
Спектрофотометры ……………………………………………………….. 158
Спектрофотометр TeleFlash Compact …………………………………….. 159
§6. Измерение механических и электрических параметров ……………... 161
6.1. Измерение весовых величин …………………………………………… 161
Дозатор шнековый фасовочный для открытых мешков (ДШФ-О) …. 161
Дозатор шнековый бункерный для добавок (ДШБД) ………………… 162
Дозатор бункерный дискретного действия (ДБД) ……………………. 163
Дозатор фасовочный для сыпучих продуктов «ДОРА» ……………… 165
6.1.1. Использование
тензодатчиков
для
измерения
механических величин …………………………………………………. 166
Консольные тензодатчики ……………………………………………… 167
Датчики сжатия/растяжения …………………………………………… 171
Программируемый измерительный преобразователь с цифровой
индикацией PAX S ……………………………………………………… 173
Программируемый весовой терминал IPC 50 ………………………... 173
Программируемый измерительный преобразователь с цифровой
индикацией IPB 50 ……………………………………………………… 174
Программируемый измерительный преобразователь с цифровой
индикацией IPA 2000 …………………………………………………… 175
6.2. Измерение толщины материалов из диэлектриков с помощью
емкостных датчиков………………………………………………………… 175
6.3. Датчик потускнения факела ДМС-100М-ПФ ………………………. 177
6.4. Измеритель мощности PR 300 ………………………………………… 177
6.5. Датчики положения ………………………………………………………. 178
6.5.1. Датчики контроля скорости (ДКС) …………………………… 178
6.5.2. Оптические датчики метки (ДОМ) …………………………… 179
275
Стр.275
6.5.3. Оптические бесконтактные выключатели (ВБО) …………… 181
6.5.4. Емкостные бесконтактные выключатели ……………………. 185
6.5.5. Ультразвуковой бесконтактный выключатель ………………. 187
6.5.6. Пироэлектрические датчики …………………………………… 189
6.5.7. Сигнализатор движения радиоволновый СДР101П ………….. 190
6.6. Волоконно-оптические датчики ……………………………………... 193
6.6.1. Волоконно-оптические датчики магнитного поля …………. 193
6.6.2. Измерение давления …………………………………………….. 195
6.6.3. Измерение температуры ………………………………………… 197
6.6.4. Измерение уровня ……………………………………………….. 198
6.6.5. Измерение скорости потока ……………………………………. 199
ГЛАВА 2. Система автоматического регулирования технологических
параметров (САР) …………………………………………………………………… 201
§1. Структура САК и САР ……………………………………………………… 201
Виды переходных процессов …………………………………………………… 203
Требования к САР ……………………………………………………………….. 204
Некоторые определения ………………………………………………………… 204
САР непрерывного и прерывного действия …………………………………… 204
Статическая и астатическая САР ………………………………………………. 205
Принципы регулирования ………………………………………………………. 206
§2. САР как совокупность типовых динамических звеньев ……………. 207
2.1. Динамические звенья САР ………………………………………………. 209
1. Усилительное звено ………………………………………………………... 209
2. Апериодическое звено 1-го порядка ……………………………………. 210
3. Интегрирующее звено (астатическое) ………………………………….. 211
4. Колебательное звено ……………………………………………………... 213
5. Апериодическое звено 2-го порядка ……………………………………. 214
6. Дифференцирующее звено ………………………………………………. 216
2.1.1. Необходимые сведения из операционного исчисления …….. 218
Дифференцирование оригинала ……………………………………………... 218
Интегрирование оригинала ………………………………………………….. 219
Временной оператор – Р. Передаточная функция – W(P) …………………. 219
2.1.2. Передаточные функции типовых динамических звеньев ….. 220
1. Усилительное звено ………………………………………………………... 220
2. Апериодическое звено 1-го порядка ……………………………………. 220
3. Интегрирующее звено (астатическое) ………………………………….. 220
4. Колебательное звено ……………………………………………………... 220
5. Апериодическое звено 2-го порядка ……………………………………. 221
6. Дифференцирующее звено ………………………………………………. 221
Структурные схемы систем соединения звеньев …………………………. 221
Последовательное соединение звеньев ………………………………….. 221
Параллельное соединение звеньев ………………………………………. 222
Соединение звеньев по принципу обратной связи (параллельновстречное)
…………………………………………………………………... 223
Устойчивость замкнутых САР ...…………………………………………. 225
Критерий устойчивости Рауса-Гурвица …………………………………. 227
276
Стр.276
2.1. Объект регулирования …………………………………………………... 228
Основные свойства объектов: емкость, нагрузка, самовыравнивание,
запаздывание …………………………………………………………………. 228
Одноемкостный объект с самовыравниванием ……………………………. 228
Влияние емкости объекта на величину постоянной времени ……………. 231
Одноемкостный объект без
самовыравнивания. Динамическая
характеристика ………………………………………………………………... 231
Многоемкостный объект с самовыравниванием ………………………… 232
Многоемкостный объект без самовыравнивания ………………………... 233
Запаздывание в объектах и регуляторах ………………………………... 233
2.3. Автоматический регулятор …………………………………………… 234
Классификация линейных регуляторов …………………………………. 235
П-регулятор …………………………………………………………………. 236
И-регулятор …………………………………………………………………. 237
ПИ-регулятор ………………………………………………………………… 237
Регуляторы с предварением …………………………………………………. 238
ПД-регулятор …………………………………………………………………. 238
ПИД-регулятор ……………………………………………………………... 239
Нелинейные регуляторы. Позиционный регулятор ……………………….. 240
§ 3. Исполнительные устройства ……………………………………………. 241
3.1. Иcполнительные механизмы ………………………………………….. 241
3.2. Регулирующие органы ………………………………………………… 242
3.2.1. Регулирующие клапаны …………………………………….
Одно- и двухседельные регулирующие клапаны ……………………..
243
245
Трехходовые клапаны …………………………………………………. 247
Клапаны малогабаритны регулирующие КМР ……………………... 249
Клапаны антишумовые и антикавитационные…..…………………. 250
Клапаны с высокой скоростью позиционирования ………………… 251
Угловые клапаны ………………………………..……………………... 251
Клапаны для высоких перепадов давления газа и охлажденных
сред ……………………………………………………………………… 252
Клапаны высокого давления ………………………………………….. 253
Клапан футерованный ………………………………………………… 255
Коаксиальный клапан …………………………………………………... 257
Клеточный клапан ………………………………………………………. 257
Клапан сегментный запорно-регулирующий ………………………. 259
Клапан шланговый специальный (КШС) …………………………… 260
Клапан предохранительный ……………………………………………. 261
Шаровые краны …………………………………………………………. 262
Электромагнитный клапан …………………………………………….. 263
Клапаны регулирующее-отсечные ……………………………………… 264
Клапаны отсечные КМО ………………………………………………… 264
3.2.2. Регулирующие заслонки ………………………………………. 265
Шиберные задвижки ……………………………………………………. 266
Заключение ………………………………………………………………………… 268
Библиографический список ……………………………………………………… 269
277
Стр.277