Автоматизация металлургического производства. Введение

1.

департамент «Энергетика, металлургия и
информационные технологии»
Слайд-лекция по дисциплине:
«Автоматизация металлургического
производства»
Лекция 1: Введение.
Для студентов специальности 5В070900
«Металлургия»
Разработала: старший преподаватель, магистр
Шупеева Ш.М.

2.

Содержание
Литература
Лекция 1. Введение.
Лекция 2. Основные понятия и общие принципы построения автоматических
систем
Лекция 3. Основные понятия и общие принципы построения автоматических
систем (продолжение)
Лекция 4. Основные понятия и общие принципы построения автоматических
систем (продолжение)
Лекция 5. Математические основы ТАУ
Лекция 6. Математические основы ТАУ (продолжение)
Лекция 7. Динамика линейных САУ
Лекция 8. Динамика линейных САУ (продолжение)
Лекция 9. Типовые динамические звенья
Лекция 10. Основные вопросы линейной ТАУ
Лекция 11. Устойчивость автоматических систем
Лекция 12. Устойчивость автоматических систем (продолжение)
Лекция 13. Качество процессов управления Коррекция свойств САУ
Лекция 14. Типовые узлы автоматического регулирования металлургических
печей
Лекция 15. Автоматизированные системы управления технологическими
объектами

3.

Содержание
Лекция 16. Классификация АСУ и разновидности АСУ ТП
Лекция 17. Классификация АСУ и разновидности АСУ ТП (продолжение)
Лекция 18. Структура АСУ
Лекция 19. АСУ металлургическими объектами управления
Лекция 20. АСУ металлургическими объектами управления (продолжение)
Лекция 21. Техническое обеспечение АСУ
Лекция 22. Автоматизация процесса производства агломерата
Лекция 23. Автоматизация процесса производства агломерата АУ
(продолжение)
Лекция 24. Автоматизация доменного производства
Лекция 25. Автоматизация доменного производства (продолжение)
Лекция 26. Автоматизация сталеплавильного производства
Лекция 27. Автоматизация сталеплавильного производства (продолжение)
Лекция 28. Автоматизация агрегатов для термической обработки металлов
Лекция 29. Автоматизация агрегатов для термической обработки металлов
(продолжение)
Лекция 30. Автоматизация агрегатов для термической обработки металлов
(продолжение)

4.

Дисциплина
«Автоматизация
металлургического
производства» является обязательной дисциплиной цикла
профилирующих дисциплин, которая дает студентам основные
сведения об основах автоматизации производства, принципах
построения
система
автоматизации
металлургического
производства. От успешного освоения данного курса во многом
зависит дальнейшее обучение бакалавров металлургии и
выполнение дипломного проектирования.
Цель данного курса - формирование у студентов
комплекса первоначальных теоретических и практических знаний об
автоматизации
технологических
процессов
в
металлургии;
назначения и функций управляющего вычислительного комплекса;
структуры и функционального состава технических средств АСУ ТП,
понимания сущности и особенностей процесса управления
металлургическими и технологическими установками, применения
способов технической реализации алгоритмов управления,
составления функциональных схем автоматизации; подготовка
студентов к самостоятельному решению теоретических и
прикладных задач автоматизации металлургического производства.

5.

Задачи курса:
−ознакомление студентов со специальными методами контроля
процессов, средствами их реализации и особенностями
автоматизации технологических процессов и производств в
металлургии;
−изучение методических, алгоритмических и технических средств
автоматизации,
включая
общие
принципы
построения
автоматизированных систем производственного назначения,
методы и алгоритмы решения функциональных задач
управления с применением микропроцессорной техники;
−расширение научного мировоззрения у студентов, в том числе
умение определять динамические характеристики объектов
управления, аналитически исследовать поведение объектов
управления с помощью разгонных, импульсных и частотных
характеристик.

6.

В результате изучения дисциплины студент должен:
знать виды АСУ ТП; назначение и функции управляющего вычислительного
комплекса; структуру и функциональный состав технических средств АСУ ТП;
понимать сущность и особенности процесса управления металлургическими и
технологическими установками;
уметь применять способы технической реализации алгоритмов управления;
уметь составлять функциональные схемы автоматизации;
уметь выбирать технические средства автоматизации для реализации
конкретного алгоритма управления;
владеть методами построения и проектирования АСУ;
иметь представление
о принципах организации и управления
технологическими
процессами
и
установками
в
металлургии;
о
централизованном и децентрализованном управлении;
иметь навыки составления и чтения функциональных схем автоматизации;
быть компетентными в области обобщения, анализа, восприятия
информации, постановки цели и выбора путей ее достижения; принятия
решений в рамках своей профессиональной деятельности; составления
функциональных схем автоматизации и подбора технических средств
автоматизации в профессиональной деятельности

7.

Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Основная:
Куропаткин П.В. Теория автоматического управления: Учебное пособие для вузов. – М.:
Высшая школа, 1973.- 528 с.
Востриков А.С., Французова Г.А. Теория автоматического регулирования: Учебное
пособие.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.- 364 с.
Теория автоматического управления: учебник для вузов / Ерофеев А.А. - 2-е изд., доп. и
перераб. - СПб. : Политехника, 2003. - 302 с
Волобуева О.П. Основы теории управления: учебник для вузов - Алматы : КазНТУ, 2005. 256 с
Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП. – М.: Энергоиздат, 1982. – 352 с.
Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими
процессами. – М.: Энергоиздат, 1985. – 305 с.
Советов Б.Я. Основы построения АСУ. – М.: Энергия, 1983. – 194 с.
Каганов
В.Ю.,
Блинов
О.М.,
Беленький
А.М.
Автоматизация
управления
металлургическими процессами. – М.: Металлургия, 1974 г.
Осипова В.А., Астахова Г.В. и др. Автоматизация металлургических производств. Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – 151 с.
Петрушов С.Н. Автоматизация производственных процессов в металлургии. Компьютерная
техника. Курс лекций. – www.7knig,net, 2006. – 127 с.
Бойко В.И., Смоляк В.А. Автоматизированные системы управления технологическими
процессами в черной металлургии. – Днепродзержинск, 1997. – 235 с.
Глинков Г.М., Маковский В.А. АСУ ТП в черной металлургии. – М.: Металлургия, 1999. –
310 с.
Глинков Г.М., Маковский В.А. и др. Проектирование систем контроля и регулирования
металлургическими процессами. - М.: Металлургия, 1986. – 352 с.

8.

Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Дополнительная:
Ксендзовский В.Р. Автоматизация процессов производства окатышей. - М.:
Металлургия, 1971. – 216 с.
Глинков Г.М., Маковский В.А. АСУ технологическими процессами в
агломерационном и сталеплавильных цехах. – М.: Металлургия, 1981. – 360
с.
ГОСТ 21.404 – 85 «Автоматизация технологических процессов».
Жарковский Б.И., Шапкин В.В. Справочник молодого слесаря по
контрольно-измерительным приборам и автоматике. – М.: Высшая школа,
1991. – 159 с.
Гресько А.А., Долгая Л.А. Справочник слесаря по контрольноизмерительным приборам. – К.: Тэхника, 1988. – 176 с.
Файерштейн Л.М., Этинген Л.С., Гохбойм Г.Г. Справочник по автоматизации
котельных. – М.: Энергия, 1978. – 344 с.
Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов / Г.М. Иванова,
Н.Д. Кузнецова, В.С. Чистяков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МЭИ, 2005. 460 с.

9.

Лекция 1. Введение.
План лекции:
1. Понятие об автоматическом управлении.
2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.

10.

1. Понятие об автоматическом управлении.
Интенсификация производства невозможна без автоматизации
– одного из основных направлений развития современной техники.
Автоматизации предшествовала механизация.
Механизацией в промышленном производстве обычно
называют применение машин и специальных устройств или
приспособлений, заменяющих физический труд человека. На
промышленных предприятиях в этих целях используются передвижные
подъемные краны и экскаваторы (разгрузка и перегрузка твердого
топлива), механические и гидравлические транспортеры сыпучих
материалов (угля и золы), электроприводы запорных и регулирующих
органов (клапанов, задвижек), электроприводы вспомогательных
механизмов (тягодутьевых машин, насосов, углеразмольных мельниц и
др.).

11.

1. Понятие об автоматическом управлении.
Под автоматизацией технологических процессов
понимают
применение
энергии
неживой
природы
в
технологическом процессе или его составных частях для
выполнения и управления ими без непосредственного участия
человека, осуществляемое в целях сокращения трудовых затрат,
улучшения условий производства, повышения объема выпуска и
качества продукции.
Автоматизацией
механизированного
производства
называют применение технических средств (от простейших
измерительных приборов и регуляторов до современных
электронных вычислительных машин) и систем управления,
освобождающих
человека
частично
или
полностью
от
непосредственного
участия
в
процессах
выработки,
преобразования и передачи энергии (материалов, информации).

12.

1. Понятие об автоматическом управлении.
Научно-технический
прогресс
в
современном
промышленном производстве в значительной мере связан с
автоматизацией.
К настоящему времени автоматизация производства
выделилась в самостоятельную отрасль науки и техники, в которой
разрабатываются вопросы теории автоматического управления и
автоматические
системы
регулирования
производственных
процессов, создаются и внедряются необходимые технические
средства.
В автоматизированном производстве человек призван лишь
периодически воздействовать на главные машины, механизмы и
установки, определяющие нормальный ход технологического
процесса, и наблюдать за наиболее важными его параметрами по
показаниям приборов.

13.

1. Понятие об автоматическом управлении.
Автоматизация
металлургических
объектов
предусматривает следующие формы автоматизации:
дистанционное управление, или управление машинами и
механизмами на расстоянии;
теплотехнический контроль (измерение) текущих значений
параметров технологического процесса;
технологическую сигнализацию о состоянии основного и
вспомогательного оборудования;
автоматическую
защиту
основного
и
вспомогательного
оборудования от возможных повреждений в процессе эксплуатации;
автоматическое непрерывное регулирование, обеспечивающее
автоматическое поддержание технологических параметров вблизи
заданного значения;
логическое
управление,
обеспечивающее
автоматическое
включение или отключение регуляторов, машин, механизмов и
установок в заданной последовательности.

14.

1. Понятие об автоматическом управлении.
По степени (виду) автоматизации различают:
1)частичную – автоматизация технологических процессов или их систем, при
которой часть затрат энергии людей заменена затратами энергии неживой
природы, включая управление, т.е. автоматизированы отдельные участки
производственного процесса;
2)комплексную – автоматизация двух или более первичных составных частей
технологического процесса или системы технологических процессов, включая
управление при автоматизации, т.е. автоматизированы все основные участки
производственного процесса;
3)полную - автоматизация технологических процессов и их систем, при
которой все затраты людей заменены затратами неживой природы, исключая
управление при механизации и включая его при автоматизации, т.е.
автоматизированы
все
основные
и
вспомогательные
участки
производственного процесса.
Наивысшей степенью автоматизации является, например, заводавтомат с процессом производства без участия человека. В этом случае
обслуживающий персонал выполняет лишь функции пуска, останова, ремонта
и периодического наблюдения за автоматической аппаратурой.

15.

1. Понятие об автоматическом управлении.
Автоматизация проводится часто в несколько этапов:
1. Первичная автоматизация - автоматизация технологических
процессов или их систем, в которых до проведения автоматизации
использовалась только энергия людей.
2. Вторичная автоматизация - автоматизация технологических
процессов или их систем, в которых до ее проведения
использовалась энергия людей, а также неживой природы.
Например, заменены автоматические контрольные устройства,
установленные
на
станке
на
более
совершенные,
обеспечивающие большую точность и производительность, при
более длительном сроке эксплуатации устройства.
Технический прогресс основан не только на первичной
автоматизации, но и на вторичной, являющейся овеществленной
мыслью ученых и практиков в результате обобщения опыта
эксплуатации автоматизированных систем.

16.

1. Понятие об автоматическом управлении.
Существует большое число автоматических устройств,
применяемых в различных областях техники: автомат включения и
выключения освещения, автомат газированной воды, автоматические
линии в цехах и на заводах, автопилот, автоматические регуляторы,
поддерживающие постоянное значение температуры, давления,
напряжения и т.д., система самонаведения на цель и др. Все эти
автоматические устройства можно разделить на 2 основных класса:
1.автоматы, выполняющие определенного рода одноразовые или
многоразовые (циклические) операции; здесь заданная цель
выполняется по жесткой программе без всякой свободы выбора, без
наличия информационных процессов.
2.автоматические регуляторы и системы, которые нужным образом
изменяют или поддерживают неизменными какие-либо физические
величины в том или ином техническом устройстве или
технологическом процессе; здесь заданная цель выполняется на
основании
информационных
процессов,
происходящих
в
автоматической системе.

17.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
Автоматизации процессов предшествовали работы ученых
и практиков, создавших различные автоматы как для выполнения
определенных действий, так и для развлекательных целей. В
начале I в. н.э. Герои Александрийский в работах «Пневматика» и
«Механика» привел описание автоматов, созданных им и его
учителем Ктесибием: пневматического автомата для открывания
дверей храма и зажигания жертвенного огня; водяного органа;
прибора для автоматического измерения длины дороги,
напоминающего таксометр; автомата для продажи «священной»
воды — прообраза автоматов для продажи жидкостей;
механического театра кукол. Идеи Герона не нашли широкого
применения в его эпоху.

18.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
В средние века развивалась так называемая «андроидная»
автоматика, когда искусные механики создавали автоматы,
подражающие отдельным действиям человека. XIII в. немецкий
философ-схоласт и алхимик Альберт фон Больштадт построил
«железного человека» — механизм для открывания и закрывания
дверей. В XVIII в. швейцарские часовщики Пьер Дро и его сын Анри
создали механического писца, выводившего гусиным пером фразы на
бумаге; механического художника, рисовавшего головки и фигурки
людей; механическую пианистку, исполнявшую на фисгармонии
музыкальную пьесу. Дро были заключены в тюрьму инквизиторами по
обвинению в колдовстве. В XVIII в. русский механик-самоучка И.П.
Кулибин создал «театр автоматов», помещенный в часах величиной с
яйцо. Каждый час в корпусе часов распахивались дверцы и можно
было увидеть движущиеся под музыку фигурки. «Театр» этот хранится
в Государственном Эрмитаже в Петербурге.

19.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
В конце XVIII — начале XIX в. в Европе в эпоху
промышленного переворота автоматику начинают внедрять в
производство. В 1765 г. появляется автоматический регулятор
уровня воды в котле паровой машины И. И. Ползунова, в 1784 г. —
регулятор скорости паровой машины Д. Уатта, в 1804— 1808 гг. —
система программного управления ткацким станком от перфоленты
Жаккарда. Этот этап развития автоматики, длившийся более
полутора столетий, сыграл огромную роль в науке и технике и
привел к выявлению ряда основных принципов автоматики,
позволивших
ускоренными
темпами
автоматизировать
производственные процессы в машиностроении.

20.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
Оба рассмотренных регулятора не имеют серводвигателей,
перемещение регулирующих органов осуществляется непосредственно
элементом, воспринимающим изменение регулируемой величины
(поплавком, центробежным маятником). Такие регуляторы называются
регуляторами прямого действия.

21.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
Рост мощностей и размеров паровых машин привел к серьезным
трудностям в использовании центробежных регуляторов прямого действия,
поскольку для перемещения тяжелых регулирующих клапанов требовалось все
больше и больше увеличивать массу грузов центробежного маятника.
Одновременно стал все больше заметным и другой недостаток
рассматриваемых регуляторов – их неспособность строго поддерживать
заданное значение регулируемой величины при различных нагрузках объекта.
Это явление получило название статической ошибки или неравномерности
регулирования.
Стремление уменьшить неравномерность регулирования (в регуляторе
Уатта – путем увеличения отношения плеч рычага l1/l2) привело к неожиданному
для того времени явлению – потери устойчивости системами регулирования, т.е.
к появлению расходящихся колебаний регулируемой величины. Попытка борьбы
с этим явлением чисто конструкционными мерами, прежде всего
направленными на уменьшение сил трения в сочленениях регулятора (именно в
этом видели вначале причину неустойчивости) успеха не имели. В результате с
середины 19-го века наметился период застоя в развитии паровых машин
(которые без регуляторов частоты вращения вала работать не могли),
получивший образное название «кризис регуляторостроения».

22.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
Проблема оказалась настолько важной, что ею занялись
выдающиеся ученые того времени. Первая работа по устойчивости
систем регулирования, в которой наметился верный подход к решению,
была опубликована Дж.К.Максвеллом в 1868 г. Однако, сделанные в ней
упрощающие предположения исключали из рассмотрения реально
существовавшие тогда и представлявшие практический интерес
системы с центробежными регуляторами Уатта, и поэтому она не была
замечена инженерами.
Ясное понимание природы неустойчивых режимов работы в
системах
регулирования,
практических
способов
получения
неколебательных режимов, а главное, методологии изучения систем
регулирования как нового феномена техники пришло только после
появления в 1876-77 г.г. работ русского ученого, профессора СанктПетербургского технологического института Ивана Алексеевича
Вышнеградского. Эти работы и заложили основы новой инженерной
науки – Теории автоматического управления.

23.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
Непосредственная
практическая
значимость
работ
Вышнеградского состояла в том, что в них была показана
несостоятельность попыток получить в системах с центробежным
регулятором Уатта устойчивые процессы без остаточной
неравномерности, а также ошибочность стремления к устранению
всех сил трения; напротив, оказалось, что для улучшения
устойчивости системы следует к муфте маятника подсоединить
гидравлический демпфер для искусственного создания вязкого
трения.

24.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
В
металлургии
работы
по
автоматизированному
регулированию были начаты сравнительно недавно (1950–1960-е гг).
Основное внимание было уделено созданию локальных систем,
обеспечивающих автоматизацию простейших функций управления
технологическими
процессами:
централизованный
контроль,
противоаварийную защиту и регулирование (стабилизацию или
изменение по заданной программе). Развитие современного
металлургического производства сопровождается интенсификацией
технологических и производственных процессов. Создание крупных
металлургических агрегатов и их комплексов позволяет более
эффективно использовать сырье, топливо, капиталовложения. В то
же время осуществлять управление интенсифицированными
металлургическими
процессами
в
больших
и
сложных
технологических объектах без использования новейших методов и
средств управления – неэффективно или вообще невозможно.
Поэтому дальнейшее развитие металлургии потребовало создания
гораздо
более
совершенных
систем
управления
–
автоматизированных
систем
управления
технологическими
процессами (АСУ ТП).

25.

2. Основные этапы развития теории и техники
автоматического управления
технологическими процессами и установками.
К примеру, автоматизация доменного производства с
использованием
вычислительной
техники
были
проведены
советскими учеными одними из первых в мировой практике. В. А.
Сорокин провел большие исследования по созданию методики
автоматического регулирования доменного процесса, главным
образом
его
теплового
режима.
Похвиснев
А.
Н.
–
автоматизированное регулирование теплового режима, Рамм А. Н. –
определение характерных показателей процесса.
Первые разработки средств управления доменным процессом и
некоторых датчиков были проведены в Центральной лаборатории
автоматики под руководством Качанова В. Ю.
В настоящее время созданы и работают на многих
предприятиях
системы
автоматизации
загрузки
шихты,
распределение материалов по окружности, распределение дутья по
фурмам, регулирование теплового состояния печи и т.д.

26.

Вопросы для самопроверки:
1) Что называется автоматизацией?
2) Какие формы автоматизации Вы знаете?
3) Назовите виды автоматизации?
4) Что такое автомат?
5) Что понимается под автоматическим
регулятором или системой?
6) Кем и когда был изобретен первый
промышленный регулятор?
7) Где использовался регулятор Уатта?
8) Кто является основоположником ТАУ?

27.

Проверим себя ?
1. Автоматическое управление производственным процессом и его
контроль без непосредственного участия человека называется …
А) комплексной автоматизацией;
B) автоматическим регулированием;
C) частичной автоматизацией;
D) автоматизацией процесса;
E) технологической сигнализацией.
2. Основными формами автоматизации являются …
А)
технологическая
сигнализация,
дистанционное
управление,
автоматическая блокировка и контроль; автоматическое управление и
регулирование, логическое управление;
B) технологическая сигнализация, автоматическая блокировка и
контроль, логическое управление;
C) дистанционное управление, автоматическая блокировка и контроль;
D)
технологическая
сигнализация,
дистанционное
управление,
автоматическое управление и регулирование;
E) технологическая сигнализация, автоматическая блокировка и
контроль, автоматическое управление и регулирование.

28.

Проверим себя ?
3. Выделите 3 степени автоматизации:
А) частичная, независимая, полная;
B) частичная, комплексная, общая;
C) частичная, комплексная, полная;
D) единичная, комплексная, полная;
E) дополнительная, комплексная, общая;
4.
Если
автоматизированы
все
производственного процесса, то это …
А) полная автоматизация;
B) комплексная автоматизация;
C) частичная автоматизация;
D) общая автоматизация;
E) технологическая автоматизация.
основные
участки

29.

Проверим себя ?
5. Первым промышленным образцом автоматического
управляющего устройства стал …
А) регулятор Иванова;
B) регулятор Уатта;
C) регулятор Вышнеградского;
D) регулятор Герасимова;
E) регулятор Ползунова.
6. Первый промышленный регулятор был изобретен в …
А) 1765 г.;
C) 1725 г.;
B) 1770 г.;
D) 1769 г.
Е) 1800 г;
7. Регулятор Уатта использовался в …
А) паровых котлах;
B) паровых турбинах;
C) радиаторах отопления;
D) компрессорах;
E) редукционно-охладительных устройствах.