1. Зміст текстової частини пояснювальної записки.

Пункт 1. Подається короткий опис технологічного процесу та обладнання, на якому здійснюється цей процес. Вказуються основні стадії технологічного процесу та послідовність їх виконання, при цьому подаються номінальні значення параметрів (тиску, температури, витрати, рівня, концентрації тощо), при яких відбуваються фізико-хімічні процеси.

Пункт 2. Виявляються основні фактори та параметри, що впливають на хід технологічного процесу. На основі аналізу впливу технологічних параметрів на ефективність процесу обґрунтовують їх номінальні значення та допустимі відхилення від них.

Пункт 3. Складають технологічну карту процесу в вигляді таблиці, куди записують основні технологічні параметри.

№ п/п	Назва параметру	Одиниця вимірювання	Позначення	Номінальне значення	Допустимі відхилення
1	Рівень конденсату в підігрівнику	м	L	0,8	 0,05
2					

Пункт 4. Для аналізу заданої ділянки ТП як об’єкту регулювання (ОР) визначають його вихідні та вхідні величини та оцінюють вплив кожної вхідної величини на кожну з вихідних величин на основі його статичних та динамічних характеристик. Вихідні (регульовані) величини ОР необхідно підтримувати на рівні заданих значень або змінювати за певною заданою програмою. З врахуванням проведеної оцінки впливу (чутливості, швидкодії) вхідних величин на вихідні вибирають ті з них, які можуть бути регулюючими діями. (Звичайно регулюючими діями є витрати матеріальних та енергетичних потоків). Решта вхідних величин відносять до збурюючих дій (збурень). Збурення в свою чергу поділяться на ті, що можна виміряти, і ті що не можна виміряти, тобто неконтрольовані. Можливість виміряти збурення дозволяє створювати САР із сигналами по збуренню, наприклад комбіновані. На основі зробленого аналізу ОР і поділу технологічних параметрів на регульовані, регулюючі і збурюючі складають структурну схему їх взаємозв'язку. Структурну схему ОР показують у вигляді прямокутника, до якого надходять лінії з позначеннями вхідних величин і виходять лінії з позначенням регульованих величин, які з’єднані між собою лініями взаємозв'язку. Канали регулюючих дій на схемі показують суцільними лініями, а канали дії збурень – пунктирними з вказанням стрілками їх напряму.

Пункт. 5. На основі визначених в п. 2 і 4 параметрів, що найбільш суттєво впливають на хід технологічного процесу та їх допустимих відхилень, а також аналізу взаємного впливу параметрів в окремих елементах технологічного апарату визначаються параметри, які необхідно контролювати, регулювати, сигналізувати і вибираються точки дистанційного керування, захисту та блокування. Згідно з обраними точками регулювання обґрунтовується побудова САР обраних параметрів. При цьому обирають такі схеми, які забезпечують необхідну якість регулювання, безпечні умови проведення технологічного процесу, максимально можливу економічну ефективність роботи обладнання. Для багатьох об'єктів регулювання в теплоенергетичних процесах, наприклад в паливнях, підігрівниках, барабанах тощо, доцільно застосовувати не лише одноконтурні, але й багатоконтурні, зокрема, комбіновані, каскадні системи регулювання, САР із сигналом з проміжної точки, взаємопов’язані САР, що в стані забезпечити високі вимоги до якості регулювання.

Пункт 6. Вибір технічних засобів автоматизації (ТЗА) визначає структуру кожного контуру автоматизації. При виборі ТЗА враховуються умови пожежо- та вибухонебезпечності процесу, агресивність, шкідливість продуктів, параметри та фізико-хімічні властивості контрольованих середовищ, відстань між первинними вимірювальними перетворювачами, виконавчими механізмами, регулюючими органами до пунктів керування, необхідна точність вимірювання та швидкодія.

Доцільно вибирати прилади, що випускаються серійно і мають уніфіковані вихідні та вхідні сигнали, є взаємозамінними [ 4,5 ].

Регулятори вибираються із законами регулювання, що забезпечують задану якість регулювання. Найбільш широко для автоматизації теплоенергетичних процесів застосовують комплекси електричної регулюючої апаратури систем "Каскад-2", "Контур-2", АКЕСР-2. Ці комплекси забезпечують керування технологічними процесами за допомогою електричних виконавчих механізмів.

В сучасних системах автоматизації все більше застосовуються мікропроцесорні регулюючі контролери. Серед вітчизняних мікропроцесорних засобів слід відзначити “Реміконт-130”, МІК-51, “Ломіконт”, “Уніконт” на базі яких можна створювати автоматизовані системи керування (АСК) теплоенергетичними процесами. Вони являють собою програмно-технічні комплекси, основою яких є мікропроцесорі контролери різних модифікацій і конфігурацій, які інтегрують в собі функції контролю, обчислень, автоматичного регулювання і керування. Для створення розподілених АСК можуть застосовуватись також зарубіжні програмовані логічні контролери MODІCON (фірма “Groupe Schneіder”), PS4-200 (фірми “Klǒkner Moeller”), SIMATIC S7-300 COMPACT (фірма “Siemens”) тощо.

Пункт 7. Опис схеми автоматизації має охоплювати всі контури, що розроблені студентом для конкретного технологічного агрегату, а їх послідовність - відповідати нумерації цих контурів на ФСА.

Опис кожного контуру здійснюється за функціональними зв'язками із зазначенням цифрових позицій кожного приладу, який входить в контур. Опис позицій приладів має бути таким, щоб враховувалась послідовність проходження сигналу від пристроїв отримання інформації до пристроїв дії на процес. Одночасно при описі вказується місце встановлення кожного приладу, що входить в контур автоматизації, його тип, вхідні та вихідні величини, функціональне призначення.

Для прикладу опишемо контур стабілізації температури води на виході з підігрівника, побудований із застосуванням електричного комплексу регулюючої апаратури системи “Каскад – 2”. Функціональна схема автоматизації підігрівника показана в додатку 1.

Температура води на виході з підігрівника вимірюється подвійним термоперетворювачем електричного опору типу ТСМ-1088 поз. 3-1, вмонтованим в трубопроводі гарячої води. Вихідний сигнал одного термоперетворювача надходить на аналоговий регулюючий блок з імпульсним вихідним сигналом типу Р27.2 поз. 3-2, розташованим на щиті. Цей сигнал порівнюється зі сигналом від задавача типу ЗУ11 поз. 3-3, розташованим на пульті оператора, і у випадку їх небалансу згідно зі заданим, наприклад, ПІ- законом регулювання формується вихідний релейний (імпульсний) сигнал регулятора, який через блок керування типу БУ21 поз. 3-4, розташованим також на пульті, надходить до пускача безконтактного реверсивного типу ПБР-2М поз. 3-5, що діє на виконавчий механізм типу МЕО-16/25-0.63-82 поз. 3-6, який змінює положення регулюючого органу, встановленого в паропроводі. З допомогою вказівника типу В12 поз. 3-8 обслуговуючий персонал (оператор) на пульті керування має інформацію про положення виконавчого механізму (ВМ) типу МЕО-16/25-0.6, який надходить від дистанційного давача типу БСПТ-10 поз.5-9.

Для автоматичного контролю температури гарячої та холодної води сигнали від другого термоперетворювача електричного опору типу ТСМ-1088 поз. 3-1 та одинарного термоперетворювача електричного опору типу ТСМ-1088 поз. 4-1, розташованих у відповідних трубопроводах, надходять на вторинний прилад – триканальний автоматичний міст типу КСМ2-074 поз. 4-2, розташований на щиті оператора, який показує та реєструє значення температури води на виході з підігрівника і на його вході та сигналізує з допомогою ламп світлової сигналізації HL4 і HL5 вихід її за гранично допустимі межі.

Якщо для автоматизації вказаного об’єкту застосовується, наприклад, мікропроцесорний контролер “Реміконт”, то опис даного контуру може бути таким (див. додаток 2).

Температура води на виході з підігрівника вимірюється термоперетворювачем електричного опору типу ТСМ-1088 поз. 3-1, сигнал від якого надходить на нормуючий перетворювач типу БУС-20 з уніфікованим струмовим вихідним сигналом 0-5 мА, який подається на вхід пристрою зв'язку з об'єктом (ПЗО) “Реміконта-130”, де перетворюється з аналогового в цифровий вигляд. Далі цей сигнал згідно із заданим алгоритмом керування (ПІ-закон регулювання, сигналізація) перетворюється і формуються вихідні дії, які через ПЗО надходять до пускача безконтактного реверсивного типу ПБР-2М поз. 3-3, що діє на виконавчий механізм типу МЕО-16/25-0.63-82 поз. 3-4, який змінює положення регулюючого органу, встановленого в трубопроводі гріючої пари. Вихід сигналізації через ПЗО, блок перемикання реле типу БПР-20 надходить на лампи світлової сигналізації HL4 і HL5.

Крім сигналу термоперетворювача електричного опору на вхід ПЗО “Реміконта-130” надходить сигнал від дистанційного давача типу БСПТ-10 поз 3-7 положення виконавчого механізму типу МЕО-16/25-0.63-82, який застосовується в алгоритмі керування. “Реміконт-130” дозволяє також реалізувати функції блоку керування для перемикання режиму роботи з автоматичного на ручне, задавати і контролювати вхідні і вихідні сигнали на передній панелі.

Пункт 8. Подається короткий опис основних принципів побудови і наповнення принципової електричної схеми (ПЕС) з’єднань САР одного з основних технологічних параметрів заданої ділянки ТП. На ПЕС показують всі елементи системи автоматизації, з допомогою яких здійснюється автоматичне регулювання одного або декількох взаємопов’язаних технологічних параметрів: давачі та первинні вимірювальні перетворювачі (ПВП) з електричним вихідним сигналом; регулюючі пристрої; задавачі ручного керування; підсилювачі струму та напруги; перетворювачі, в т.ч. нормуючі та функціональні (добування кореня, диференціатори, динамічні перетворювачі тощо); модулі, які здійснюють логічні операції; перемикачі видів керування (автоматичне, ручне, ввімкнене, вимкнене).

Пункт 9. Моделювання САР заданого технологічного параметру передбачає вирішення таких трьох завдань:

 Побудова математичної моделі об’єкта регулювання.

 Вибір схеми автоматичного регулювання і регуляторів за законом регулювання та визначення параметрів їх настроювання.

 Дослідження якості перехідних процесів САР.

9.1. Для того щоб, розрахувати систему автоматичного регулювання необхідно математично описати об’єкт регулювання, тобто знайти рівняння, які дозволяють розраховувати зміни регульованої величини (вихідної величини об’єкта) в часі під дією різних вхідних величин об’єкта. Такі рівняння можуть бути представлені у вигляді диференціальних рівнянь, функцій передачі тощо. Система таких рівнянь є математичною моделлю об’єкта регулювання. Знаходження математичної моделі об’єкта можна здійснити аналітичним або експериментальним методами.

В аналітичних методах процеси, що відбуваються в технологічному об’єкті, аналізуються на основі законів збереження маси і енергії, а також з врахуванням конструктивних, режимних та інших особливостей об’єкта. На основі такого аналізу складають диференціальні рівняння, які зв’язують між собою вхідні та вихідні величини.

В практиці проектування і налагоджування САР переважно користуються експериментальними методами, при яких моделі ОР знаходяться за експериментально отриманими кривими розгону, імпульсними перехідними характеристиками (ІПХ)., частотними характеристиками (ЧХ). Задача знаходження математичної моделі об’єкта за експериментальними даними, як правило, розв’язуються в три етапи:

1. Виходячи з характеру експериментальної кривої і приймаючи до уваги відомі взаємозалежності між функціями передачі і кривими розгону (ІПХ, ЧХ) вибирають передбачувану структуру моделі об’єкта і відповідну до неї функцію передачі в загальному вигляді.

2. Знаходять числові значення параметрів моделі об’єкта за обраною методикою і отримують конкретну функцію передачі моделі.

3. Знаходять розрахункові значення кривої розгону (ІПХ, ЧХ) обраної моделі і перевіряють точність апроксимації, порівнюючи теоретичну криву з експериментальною.

Для побудови моделей теплоенергетичних об’єктів аналітичними та експериментальними методами можуть бути використані методи та методики, засвоєні під час виконання курсової роботи з "Теорії автоматичного керування" та вивчення дисциплін "Ідентифікація та моделювання технологічних об’єктів","Моделювання та оптимізація систем керування". Можна також скористатися моделями теплоенергетичних об’єктів, які наводяться у спеціальній літературі [22 –26, 32,35].

9.2. Враховуючи вимоги щодо якості перехідного процесу САР, сформованих в пункті 2, зокрема максимального короткочасного відхилення вихідної величини ОР від номінального значення, допустимого довготривалого відхилення (похибки регулювання), тривалості процесу регулювання (часу регулювання) і показників коливальності процесу регулювання, які нормуються експлуатаційними інструкціями, здійснюється вибір структури САР, законів регулювання регуляторів. Регулююча дія в САР вибирається на основі аналізу властивостей ОР по кожній з вхідних величин. Якщо обрана одноконтурна САР, то далі вибирають закон регулювання (П, І, ПІ, ПІД, позиційне регулювання) автоматичного регулятора і розраховують параметри його настроювання. Розрахунок параметрів автоматичного регулятора здійснюють будь-яким відомим методом на основі динамічної моделі ОР за каналом регулюючої дії [33, 36]. Один з них, метод Циглера – Нікольса (метод незаникаючих коливань), дозволяє розраховувати параметри настроювання П-, ПІ-, ПІД-регуляторів в САР, які забезпечують перехідні процеси з коефіцієнтом заникання [27]. Розрахунок параметрів обраного регулятора цим методом здійснюється в два етапи.

На першому етапі розраховують критичне значення коефіцієнта передачі П-регулятора, розв’язуючи, наприклад, систему рівнянь, складену на основі критерію Найквіста

,

де , - амплітудно-частотна та фазо-частотні характеристики ОР на критичній частоті . З другого рівняння системи визначають , а з першого – критичне значення коефіцієнта передачі П-регулятора .

На другому етапі за знайденими значеннями та визначають параметри настроювання обраного регулятора. Формули для розрахунку значень параметрів настроювання регуляторів з різними законами регулювання наведені в таблиці

Тип регулятора	Параметри настроювання регуляторів:
П-регулятор		-	-
ПІ-регулятор			-
ПІД-регулятор

9.3. Після розрахунку значень параметрів настроювання регулятора досліджується перехідний процес САР при стрибкоподібній зміні регулюючої дії. Величина стрибкоподібної зміни регулюючої дії ОР обирається такою, щоб відхилення регульованої величини ОР від дії регулюючої величини дорівнювало відхиленню від дії найбільш небезпечного збурення . Для ОР із самовирівнюванням

,

де - відхилення регульованої величини внаслідок максимально можливої зміни збурюючої дії ; коефіцієнти передачі ОР каналами збурюючої та регулюючої дії.

Для ОР без самовирівнювання (функцію передачі якого представимо у вигляді ) еквівалентна величина стрибкоподібної зміни регулюючої дії має викликати за час таке ж відхилення регульованої величини, що і максимально можливе збурення.

Моделювання розрахованої САР зручно проводити за допомогою системи автоматизованого моделювання і параметричної оптимізації (СІАМ) або за допомогою пакету візуального програмування Simulink в середовищі MATLAB. За отриманою кривою розгону визначають показники якості САР. Якщо вони не задовольняються, то за допомогою вказаних середовищ математичного програмування можна знайти оптимальні параметри настроювання, які б забезпечили задані вимоги якості. Слід відзначити, що оптимальними параметрами настроювання регулятора вважаються такі, при яких досягається екстремальне значення обраного критерію оптимальності (цільової функції) при заданому запасі стійкості САР. Так в середовищі СІАМ для знаходження параметрів настроювання регулятора можна скористатись такими методами параметричної оптимізації, як метод випадкових кроків (метод Монте-Карло), метод покоординатного спуску (метод Гауса-Зейделя), метод прямого пошуку (метод Хука-Дживса).

В середовищі Simulink дуже зручним для отримання перехідних процесів заданої якості є пакет NCD (Nonliner Control Design), в якому допустимі значення максимального динамічного відхилення, часу регулювання, похибки регулювання встановлюються у вигляді графічного вікна (див. рис. 1). Для прикладу на рис. 1 показана структурна схема одноконтурної САР температури з ПІ-регулятором, створена в середовищі Simulink. За допомогою пакета NCD встановлена допустима область зміни відхилень температури від заданого значення. Горизонтальними лініями на рис.2 визначені: допустиме максимальне динамічне відхилення – 1.5 , час регулювання 180 с, похибка регулювання 0.25 . За початкові значення параметрів настроювання ПІ-регулятора можна прийняти значення коефіцієнта передачі та часу ізодрому, отримані в результаті розрахунку. На рис. 2 показані дві криві перехідних процесів: одна з них отримана при розрахункових значеннях параметрів регулятора, а друга – при оптимальних параметрах, знайдених в результаті оптимізації САР. Порівнюючи ці дві криві, бачимо, що після оптимізації САР задовольняє задані показники якості.

Рис. 1. Структурна схема САР температури.

Рис. 2. Криві перехідних процесів у САР температури

Якщо одноконтурна САР, навіть при оптимальних параметрах настроювання регулятора, має незадовільну якість регулювання, тоді обирають складнішу схему САР, досліджують її перехідні процеси за допомогою вище вказаних пакетів візуального програмування та знаходять параметри настроювання, які забезпечують необхідну якість регулювання.

Пункт 10. Всі засоби автоматизації відповідно до розробленої функціональної схеми автоматизації записуються в таблицю – специфікацію приладів та засобів автоматизації – в наступній формі¹:

№п/п

№ позиції

Назва приладу

Тип приладу

Кількість

Коротка технічна характеристика

1	2	3	4	5	6
1	1-1	Діафрагма камерна	ДК16-50	1	Умовний тиск 1,6 МПа, умовний прохід 50 мм, виконання ІІ, матеріал диску – сталь 12Х17
2	1-2	Диференційний манометр мембранний	ДМ-3583М	1	Верхня межа вимірювання 6,3 кПа, робочий тиск 1,6 МПа, вихідний сигнал 0...10 мГн, основна допустима похибка 1%
3	1-3	Вторинний прилад – витратомір	КСД2-056	1	Діапазон вимірювання 0...40 м3/год, вхідний сигнал 0...10 мГн, основна допустима похибка 1%, інтегруючий та сигналізуючий пристрої
4	2-1	Зрівноважувальна посудина	СУМ-63	1	Умовний тиск 6,3 МПа, виконання 2, маса 5 кг, матеріал – сталь 20
5	2-2	Вимірювальний перетворювач різниці тисків	“Сапфир-22ДД– 2420”	1	Верхня межа вимірювання 10 кПа, допустимий надлишковий тиск 4 МПа, вихідний сигнал 0…5 мА, основна допустима похибка 1%
6	2-3	Вторинний прилад – рівнемір	РП160-09С	1	Діапазон вимірювання 0...1 м, вхідний сигнал 0…5 мА, основна похибка вимірювання 0,5%, сигналізуючий пристрій
7	2-4, 3-2	Блок регулюючий	Р27.2	2	Вхідні сигнали: зміна активного опору на 20 Ом в межах 0...100 Ом, 0..5 мА, 0...10 В; Вихідний сигнал: 24 В постійного пульсую-чого струму; діапазон зміни коефіцієнта передачі 0.3-10 с/%, час інтегрування 20-20000 с, час диференціювання 0-400 с, потужність 18 ВА.
8	2-5, 3-3	Задавач ручного керування потенціометричний	ЗУ11	2	Вихідний сигнал – зміна електричного опору 0....2,2 кОм
9	2-6, 3-4	Блок керування	БУ21	2	Перемикання з ручного на автоматичне керування та навпаки; маса 0,6 кг; габаритні розміри 6060170 мм
10	2-7, 3-5	Пускач безконтактний реверсивний	ПБР-2М	2	Живлення 220 В, 50Гц; вхідний сигнал 24 6 В; вхідний опір не менший ніж 750 Ом; максимальний струм 4 А; потужність 10 ВА; маса 4,5 кг.
11	2-8, 3-6	Електричний однообертовий виконавчий механізм	МЕО-16/25-0.63-82	2	Живлення 220 В, 50Гц; номінальні: обертовий момент 16 Нм, час повного ходу 25 с, повний хід вихідного валу 0,63 об.; споживана потужність 60 ВА; габаритні розміри 200185250 мм, маса 8 кг.
12	2-9, 3-7	Давач положення валу ВМ	БСПТ-10	2	Уніфікований вихідний сигнал 0...5 мА; основна похибка  2,5%; живлення 220 В, 50Гц; потужність 10 ВА.
13	2-10, 3-8	Дистанційний вказівник положення валу виконавчого механізму	В-12	2	Шкала 0...100%; вхідний сигнал 0...5 мА; внутрішній опір не більший 80 Ом; габаритні розміри 608045 мм, маса 8 кг
14	3-1	Термоперетворювач електричного опору подвійний	ТСМ-1088	1	Межі вимірювання 50.. ..200 С, НСХ 50М, клас допуску В, матеріал захисної арматури – сталь 12Х18Н10Т
15	4-1	Термоперетворювач електричного опору одинарний	ТСМ-1088	1	Межі вимірювання 50.. ..200 С, НСХ 50М, клас допуску В, матеріал захисної арматури – сталь 12Х18Н10Т
16	4-2	Вторинний прилад – автоматичний міст	КСМ2-051	1	НСХ 50М, діапазон вимірювання 0...100 С, клас точності 0,5, 3 канали вимірювання, сигналізуючий пристрій
…	…	…	…	…	…

Номери позицій приладів у специфікації подаються у відповідності з номерами позицій на ФСА. Якщо в декількох контурах застосовуються однакові прилади, то в специфікації вони можуть записуватись під одним порядковим номером (стовпчик 1), але з обов'язковим зазначенням позиції за ФСА (стовпчик 2).

Звичайно, в короткій технічній характеристиці (стовпчик 6) вказують діапазон вимірювання або верхню межу вимірювання, границі основної допустимої похибки, характеристику вихідного сигналу, параметри робочого середовища – для первинних вимірювальних перетворювачів. Для термоперетворювачів опору, термоелектричних перетворювачів, наприклад, ще вказують номінальну статичну характеристику, клас допуску, інерційність, матеріал захисної арматури. Для вторинних приладів вказують діапазон шкали, швидкодію, клас точності або зведену основну похибку, характеристику вхідного сигналу тощо. Для регулюючих пристроїв важливо відзначити характер вхідних та вихідних сигналів, закон регулювання і діапазони їх параметрів настроювання.

У висновках (п. 11) студент повинен висвітлити основні результати з автоматизації технологічного процесу, ділянки чи агрегату.

В кінці текстової частини КП необхідно подати перелік літератури, яка застосовувалася під час під час розроблення схеми автоматизації.(п. 12).