Структурные схемы систем автоматизации. Схемы систем автоматизации Непосредственное цифровое управление

Схема является основным документом, поясняющим принцип действия и взаимодействия различных элементов, устройств или в целом систем автоматического управления. Наиболее часто используют принципиальные, функциональные структурные (функциональные) и алгоритмические структурные (структурные) типы схем. Кроме них при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации САУ применяют схемы соединения и подключения (монтажные).

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ, ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ

На принципиальной схеме все элементы системы изображают в соответствии с условными обозначениями во взаимосвязи между собой. Из принципиальной схемы должен быть ясен принцип ее действия и физическая природа происходящих в ней процессов. Принципиальные схемы могут быть электрическими, гидравлическими, пневматическими, кинематическими и комбинированными. На рисунке 1.19 в качестве примера представлены фрагменты принципиальной электрической и принципиальной гидравлической схем.

Элементы автоматики на принципиальных схемах следует обозначать в соответствии со стандартом. Изображение элементов должно соответствовать выключенному состоянию (обесточенному, при отсутствии избыточного давления и т.д.) всех цепей схемы и отсутствию внешних воздействий. Схема должна быть логи-

Рис. 1.19.

а - электрической, б - гидравлической

чески последовательной и читаться слева направо или сверху вниз. Каждому элементу принципиальной схемы присваивают буквенно-цифровое позиционное обозначение. Буквенное обозначение обычно представляет собой сокращенное наименование элемента, а цифровое в порядке возрастания и в определенной последовательности условно показывает нумерацию элемента, считая слева направо или сверху вниз. Для сложных схем, как правило, расшифровывают сокращенные буквенные и цифровые обозначения.

Функциональные структурные схемы отражают взаимодействие устройств, блоков, узлов и элементов автоматики в процессе их работы. Графически отдельные устройства автоматики изображают прямоугольниками, соответствующими направлению прохождения сигнала. Внутреннее содержание каждого блока не конкретизируют. Функциональное назначение блоков обозначают буквенными символами. На рисунке 1.20 в качестве примера представлена функциональная схема САУ температурой воздуха в парнике, где ОУ- объект управления (парник), ВЭ - воспринимающий элемент (датчик температуры), ПЭ - преобразующий

Рис. 1.20. Функциональная схема САУ температурой воздуха в парнике элемент (усилитель с реле на выходе), РО- регулирующий орган (электронагреватель), у -управляемая величина (температура), g-задающее воздействие (требуемая температура);/-возмущающее воздействие (влияние внешних факторов на температуру воздуха в парнике).

Алгоритмические структурные схемы показывают взаимосвязь составных частей автоматической системы и характеризуют их динамические свойства. Эти схемы разрабатывают на основе функциональных или принципиальных схем автоматики. Алгоритмическая структурная схема - наиболее удобная графическая форма представления САУ в процессе исследования ее динамических свойств. В этой схеме не учитывают физическую природу воздействий и особенности конкретной аппаратуры, но отображают лишь математическую модель процесса управления.

На структурной схеме, как и на функциональной, элементы УУ и ОУ изображают в виде прямоугольников. При этом какое-либо устройство может быть представлено несколькими звеньями (прямоугольниками) и, наоборот, несколько однотипных устройств могут быть изображены как одно звено.

Разделение САУ на элементарные звенья направленного действия выполняют в зависимости от вида математического уравнения, связывающего выходную величину с входной для каждого звена. Внутри звена (прямоугольника) указывают математическую зависимость между входной и выходной величинами. Эта зависимость может быть представлена либо формулой, либо графиком, либо таблицей. Аналогично функциональной схеме связи между звеньями изображают в виде стрелок, указывающих направление и точки приложения воздействующих величин.

Структурная схема САУ температурой воздуха в парнике представлена на рисунке 1.21. Общий вид этой схемы совпадает с функциональной схемой (см. рис. 1.20), однако внутри прямоугольников содержатся функции или графики, связывающие выходные величины каждого элемента с входными.

В качестве примера рассмотрим принцип действия принципиальной электрической схемы САУ температурой теплоносителя в

Рис. 1.21.

Рис. 1.22.

/-заслонка; 2- ИМ; 3 ~усилитель

шахтной зерносушилке (рис. 1.22) и составим для нее функциональную схему. Требуемая температура теплоносителя в зерносушилке поддерживается при помощи заслонки 7, которая, поворачиваясь, изменяет соотношение притоков горячего воздуха Q r , поступающего из топки, и холодного Q x , забираемого из атмосферы. Температуру внутри зерносушилки измеряет термодатчик R, включенный в одно их плеч измерительного моста. Заданное значение управляемой величины g (температуры) устанавливают, перемещая движок резистора - задатчика R1. Поскольку сигнал выхода с измерительного моста малой мощности, то для управления реверсивным электродвигателем 2 (ИМ) используют усилитель 3.

Когда температура теплоносителя внутри зерносушилки отклоняется от заданной, на выходе моста появляется сигнал разбаланса, который через усилитель 3 и реле К1 или К2 поступает в электродвигатель 2, включая его. От двигателя приводится в действие заслонка 7, перемещающаяся в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала.

Вследствие инерционности термодатчика R, и его удаленности от заслонки 7 процесс управления может продолжаться бесконечно, т. е. новый равновесный режим в системе не установится. Действительно, когда заслонка займет новое равновесное положение, температура термодатчика еще некоторое время остается прежней, вследствие чего исполнительный механизм продолжит перемещать заслонку. Далее температура в месте установки термодатчика сначала сравняется с заданной, а затем отклонится от нее в противоположную сторону, т. е. примет значение с обратным знаком. Иными словами, в системе возникнут периодические колебания, называемые автоколебаниями. Автоколебания управляемой величины (температуры) в данной системе возникают вследствие того, что двигатель останавливается не в момент достижения заслонкой требуемого положения, а с некоторым запаздыванием.

Для устранения автоколебаний или уменьшения их амплитуды применяют обратную связь (ОС), которая позволяет остановить двигатель до того, как температура теплоносителя достигнет заданного значения, поскольку после прекращения перемещения заслонки температура объекта и термодатчика приближается к заданному значению.

Обратная связь осуществляется с помощью переменного резистора Ло. с, ползунок которого механически связан с ротором электродвигателя 2 и перемещается одновременно с ним. Очевидно, что равновесие в системе наступит в тот момент, когда приращение сопротивления Л ос, возникающее вследствие передвижения ползунка, и приращение сопротивления R„ вызванное изменением температуры теплоносителя, станут равны между собой (АД, с = ДЛ,). Таким образом, электродвигатель 2 в данной системе останавливается и переходный процесс полностью прекращается в тот момент, когда отклонение температуры станет меньше зоны нечувствительности регулятора.

На функциональной схеме (рис. 1.23) зерносушилка представляет собой объект управления (030, термодатчик - воспринимающий орган (50), измерительный мост - сравнивающий элемент (СО), усилитель - усилительный элемент (УЭ ), электродвигатель - исполнительный механизм (ИМ), заслонка - регулирующий орган (РО), между валом ИМ и ползунком потенциометра - обратная связь (ОС). Здесь же/- возмущающее воздействие (температура наружного воздуха, влажность и начальная температура зерна), g- задающее воздействие (требуемая температура сушки), у - управляемая величина (фактическая температура теплоносителя), и - управляющее воздействие (теплота, поступающая в зерносушилку с теплоносителем).

Рис. 1.23.

СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ ЩИТОВ, ПУЛЬТОВ УПРАВЛЕНИЯ, ВНЕШНИХ СОЕДИНЕНИЙ И ПОДКЛЮЧЕНИЙ

Схемы соединений - это схемы, на которых изображают соединения составных частей устройства или внешние соединения между отдельными устройствами. Схемы для приборов, устанавливаемых в щитах или пультах управления, разрабатывают на основе функциональных схем, принципиальных электрических схем, схем питания, а также общих видов щитов и пультов.

Общие правила выполнения схем соединений следующие:

схемы соединений разрабатывают на один щит, пульт, станцию управления;

все типы аппаратов, приборов и арматуры, предусмотренные принципиальной электрической схемой, должны быть полностью отражены на схеме соединений;

позиционное обозначение приборов и средств автоматизации и маркировку участков цепей, принятые на принципиальной электрической схеме, необходимо сохранять в схеме соединений.

Применяют три способа составления схем соединений: графический, адресный и табличный. Для адресного и табличного способа, кроме перечисленных правил, следует соблюдать еще несколько:

приборы и аппараты на схемах соединений изображают упрощенно без соблюдения масштаба в виде прямоугольников, над которыми помещают окружность, разделенную горизонтальной чертой. Цифры над чертой указывают порядковый номер устройства (рис. 1.24, цифра 8); номера присваивают попанельно слева направо и сверху вниз), а под чертой - позиционное обозначение этого изделия (например, КТЗ)

при необходимости показывают внутреннюю схему аппаратов (рис. 1.24);

Рис. 1.24.

для нескольких реле, расположенных в одном ряду, внутреннюю схему показывают только один раз, если она у них одинаковая;

выводные зажимы приборов условно изображают окружностями, внутри которых указывают их заводскую маркировку (например, 1...8 на рис. 1.24). Если у выводных зажимов аппаратов заводской маркировки нет, то их маркируют условно арабскими цифрами и указывают это в поясняющей записи;

платам, на которых размещены диоды, триоды, резисторы и т. п., присваивают только порядковый номер (его проставляют в окружности под чертой);

позиционное обозначение элементов помещают в непосредственной близости от их условного графического изображения (рис. 1.25);

Рис. 1.2

если приборы и средства автоматизации располагаются на нескольких элементах конструкции щита или пульта (крышке, задней панели, дверце), то необходимо выполнить развертку этих конструкций в одну плоскость, соблюдая взаимное размещение приборов и средств автоматизации.

Графический способ заключается в том, что на чертеже условными линиями показывают все соединения между элементами аппаратов (рис. 1.26). Этот способ применяют только для щитов и пультов, относительно мало насыщенных аппаратурой. Схемы трубных проводок выполняют только графическим способом. Если на одном щите или пульте прокладывают трубы из разного материала (стальные, медные, пластмассовые), то и условные обозначения используют различные: сплошные линии, штриховые, штриховые-пунктирные с двумя точками и т. д.

Адресный («встречный») способ состоит в том, что линии связи между отдельными элементами аппаратов, установленных на щите или пульте, не изображают. Вместо этого у места присоединения провода на каждом аппарате или элементе проставляют цифровой или буквенно-цифровой адрес того аппарата или элемента, с которым он должен быть электрически связан (позиционное обозначение соответствует принципиальной электрической схеме или порядковому номеру изделия). При таком изображении

Рис. 1.26.

Рис. 1.27.

схемы чертеж не загромождается линиями связи и легко читается (рис. 1.27). Адресный способ выполнения схем соединений - основной и наиболее распространенный.

Табличный способ применяют в двух вариантах. Для первого составляют монтажную таблицу, где указывают номера каждой электрической цепи. В свою очередь, для каждой цепи последовательно перечисляют условные буквенно-цифровые обозначения всех приборов, аппаратов и их контактов, посредством которых эти цепи соединены (табл. 1.1). Так, для цепи 7запись обозначает, что зажим 6 прибора КМ1 соединяется с зажимом 4 прибора КМ2 , который, в свою очередь, должен быть соединен с зажимом 3 устройства КТ4.

1.1. Пример таблицы соединений

Номер цепи	Соединение
	КМ 1 КМ2 КТ 4 6 4 3
	КМ 4 XT 1 2 293
	XTI HL1 КН2 XT 2 328 1 12 307

Второй вариант заполнения таблицы соединений отличается от первого тем, что в таблицу вписывают проводники по возрастанию номеров маркировки цепей принудительных электрических схем (табл. 1.2). Направление прокладки проводов, как и для первого варианта, записывают в виде дроби. Для более четкого распознавания проводников принято использовать дополнительные обозначения. Например, перемычку, выполняемую в аппарате, обозначают буквой «п».

1.2. Пример таблицы соединения проводов

Схемы подключений служат рабочими чертежами, по которым выполняют монтаж аппаратуры автоматики, поэтому их еще называют монтажными. Схемы, показывающие внешнее подключение аппаратов, установок, щитов, пультов и т. п., выполняют на основе функциональных и принципиальных схем питания, спецификации приборов и оборудования, а также чертежей производственных помещений с расположением технологического оборудования и трубопроводов.

Схемы подключений используют при монтаже проводов, при помощи которых установку, прибор, аппарат подключают к источникам питания, щитам, пультам и т. п.

На практике применяют два способа составления схем подключений: графический и табличный. Наиболее распространен графический.

На схемах подключений при помощи условных графических обозначений показывают: отборные устройства и первичные преобразователи; щиты, пульты и местные пункты управления, контроля, сигнализации и измерения; внещитовые приборы и средства автоматизации; соединительные, протяжные и свободные коробки; электропровода и кабели, проложенные вне щитов; узлы присоединения электропроводов к приборам, аппаратам, коробкам; запорную аппаратуру и элементы для соединений и ответвлений; коммутационные зажимы, расположенные вне щитов, защитное заземление. Шкафы, пульты, отдельные приборы и аппараты условно изображают в виде прямоугольников или кружков, внутри которых помещают соответствующие подписи.

Связи одного назначения на схемах подключений показывают сплошной линией и лишь в местах присоединения к приборам, исполнительным механизмам и другим аппаратам провода разделяют с целью маркировки. На линиях связи, обозначающих провода или кабели, указывают номер провода (подключение), марку, сечение и длину проводов и кабелей (если проводка выполнена в трубе, то необходимо также привести характеристику трубы). Провода подключений и кабели изображают линиями толщиной 0,4.. .1 мм.

Схемы подключений выполняют без соблюдения масштаба в виде, удобном для пользователя. Иногда схемы подключений представляют в виде таблиц, которые выполняют отдельно на каждую секцию (или панель) щита управления (табл. 1.3).

1.3. Пример таблицы подключений

Кабель, провод		Направление проводки

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ АСУ

Структурная схема линии приготовления маргарина, на которой показан её состав, включая исполнительные устройства и функционально важные элементы конструкции, приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Процесс начинается с набора продукта на жировые весы из баков дезодорированного жира по 12 линиям и на водно-молочные весы по 4 линиям. Оператор вводит рецепты для обоих весов, то есть указывает, по какой линии и какое количество продукта должно быть набрано на весы. После того как набор на весы закончен, происходит последовательная перекачка жировых и водно-молочных компонентов в смеситель. Перекачка возможна только при пустом принимающем баке. Перекачка идёт до опорожнения весов. После этого начинается набор на весы другой партии компонентов. В смесителях происходят подогрев, равномерное перемешивание продукции и перекачка её в рабочий бак. Если в ходе перекачки уровень продукта в рабочем баке достигает 95%, процесс перекачки приостанавливается. Из рабочего бака продукт с помощью насоса высокого давления подаётся через охладитель, где происходит кристаллизация маргарина, и декристаллизатор на фасовочную машину.

СОСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ И ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ АСУ

Рис. 2.

По структурным схемам (рис.1, 2) составим функциональную схему АСУ.

Рис. 3.

МП - микропроцессор; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; К - клапан; Н - насос; СМ - смеситель; РБ - рабочий бак; ДУ - датчик уровня; ДД- датчик давления; ДТ- датчик температуры; ДВ - датчик веса; ДВЛ - датчик влажности; КМ - коммутатор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь.

Рис. 4.

Используется в качестве устройства контроля за ТП.

Центральный процессор:

AMD Athlon 64 X2 6000+ BOX, ядро Windsor, частота 3000 МГц, Socket AM2, кеш L2 2048 Кб. Средний срок службы - 100000 ч.

Материнская плата:

Gigabyte GA-MA790X-DS4, AMD 790X, PCIe, PCI, 4x DDR2533/667/800, SLI/CrossFire. Средний срок службы - 70080 ч.

Жесткий диск: Seagate Barracuda ST3500320AS 500 Гб, SATA II, 7200 об./мин, 16МБ. Средний срок службы - 70080 ч.

Жидкокристаллический монитор:

Монитор 18,5" LCD Acer E-Machines E190HQVB, 16:9 HD, 5ms, 5000:1. Средний срок службы - 60000 ч.

2) Микропроцессор SIMATIC S7-300 - CPU 315-2 DP - PROFIBUS

Используется в качестве модуля центрального процессора.

Фирма: Siemens

Рис. 5. Микропроцессор SIMATIC S7-300 - CPU 315-2 DP - PROFIBUS

Характеристики:

1. Центральный процессор для выполнения программ среднего и большого объема.

2. Высокая производительность.

3. Встроенный интерфейс ведущего/ ведомого устройства PROFIBUS DP, обслуживание систем распределенного ввода-вывода на основе PROFIBUS DP; поддержка интерфейса MPI.

4. Рабочая встроенная память объемом 128 Кбайт, RAM (приблизительно 43 K инструкций); загружаемая память - ММС 8 МБайт.

5. Гибкие возможности расширения; подключение до 32 модулей S7-300 (4-рядная конфигурация).

6. Входное напряжение: 20.4 - 28.8 В; потребляемый ток: от источника питания - 800 мА, потребляемая мощность - 2,5 Вт.

7. ЦПУ/время выполнения: логических операций - 0,1 мкс, операций со словами - 0,2 мкс, арифметических операций с фиксированной точкой - 2 мкс, арифметических операций с плавающей точкой - 3 мкс.

8. Встроенные коммуникационные функции: PG/OP функции связи, обмен глобальными данными через MPI, функции стандартной S7 связи, S7 функции связи (только сервер)

9. Системные функции: центральный процессор поддерживает широкий спектр функций диагностики, настройки параметров, синхронизации, аварийной сигнализации, измерения временных промежутков и т.д.

10. Средний срок службы - 70080 ч.

3) Высокоскоростной ЦАП/АЦП c поддержкой SM 321

Используется в качестве преобразователя сигналов из аналогового в цифровой и наоборот.

Фирма: Siemens

Рис. 6. Высокоскоростной ЦАП/АЦП

Характеристики:

1. Кол-во входов - 32

2. Номинальное входное напряжение - DC 24V

3. Поканально программируемый коэффициент усиления

4. Автокалибровка

5. Общий потребляемый ток - 35 mА

6. Потребляемая мощность - 5,5W

7. Программируемая схема запуска

8. 16-разрядный счётчик (10 МГц)

9. Выходное напряжение 10 В

10. Средний срок службы - не менее 87600 ч.

4) Датчик температуры с унифицированным выходным сигналом Метран-280-1

Используется в качестве измерителя температуры смеси.

Фирма: Метран

Рис. 7. Датчик температуры

Характеристики:

1. Диапазон преобразуемых температур: -50…200 °С

2. Выходной сигнал 4-20 мА/HART

3. Цифровая передача информации по HART-протоколу

4. Дистанционные управление и диагностика

5. Гальваническая развязка входа от выхода

6. Повышенная защита от электромагнитных помех

7. Минимальный поддиапазон измерений: 25 °С

8. Электронный фильтр 50/60 Гц

9. Питание: 18 - 42 В постоянного тока

10. Мощность: 1,0 Вт

11. Межповерочный интервал - 1года

12. Средний срок службы - не менее 43800 ч.

5) Датчик уровня Rosemount 5300

Используется в качестве измерителя уровня заполнения в смесителе.

Фирма: Метран

Рис. 8. Датчик уровня

Характеристики:

1. Измеряемые среды: жидкие и сыпучие

2. Диапазон измерений: от 0,1 до 50 м

3. Выходные сигналы: 4F20 мА с цифровым сигналом на базе протокола HART или Foundation™ Fieldbus

4. Наличие взрывозащищенного исполнении

5. Рабочая температура: до 150°C (302°F)

6. Потребление тока в режиме ожидания: 21 мА

7. Давление процесса: от 0,1 до 34,5 МПа;

8. Относительная влажность окружающей среды: до 100%

9. Степень защиты от внешних воздействий: IP 66, IP67 по ГОСТ 14254

10. Межповерочный интервал - 1 год

11. Средний срок службы - 43800 ч.

6) Датчик давления Rosemount 2088

Используется в качестве измерителя давления в рабочем баке.

Фирма: Метран

автоматический функциональный технологический маргарин

Рис. 9.

Характеристики:

1. Верхние пределы измерений от 10,34 до 27579,2 кПа

2. Основная приведенная погрешность измерений ±0,075%; ±0,1%

3. Выходные сигналы 4D20 мА/НАRТ, 1D5 В/НАRТ, 0,8D3,2 В/НАRТ

4. Перенастройка диапазонов измерений 20:1

5. Дополнительно: ЖК индикатор, кронштейны, вентильные блоки

6. Диапазон температур окружающей среды от 40 до 85°С; измеряемой среды от 40 до 121°С

7. Время отклика датчика не более 300 мс

8. Нестабильность характеристик ±0,1% от Pmax за 1 год

11. Средний срок службы - 61320 ч.

7) Датчик веса Omron-D8M

Используется в качестве измерителя веса продукта в смесителе.

Фирма: Omron

Рис. 10.

Характеристики:

2. Цифровой выход

3. Рабочий диапазон температур -10…+120°С

4. Верхний предел измерения: 60 МПа:

5. Номинальное усилие: 200 Н

6. Полная приведенная погрешность, не более: 5%

7. Максимальный потребляемый ток, не более:

8. Сопротивление мостовой схемы входное, Ом - 450±25,0

9. Сопротивление мостовой схемы выходное, Ом - 400±4,0

10. Межповерочный интервал - 2 года

11. Средний срок службы - 52560 ч.

8) Датчик влажности Omron-4000-04

Используется в качестве измерителя влажности в рабочем баке.

Фирма: Omron

Рис. 11.

Характеристики:

1. Диапазон измеряемой относительной влажности: 0 - 100%

2. Выходной сигнал - напряжение

3. Время отклика - 15 с

4. Номинальный выходной ток - 0,05мА

5. Дипазон выходного напряжения: 0,8 - 3,9В

7. Корпус SIP 1.27 мм

8. Межповерочный интервал - 2 года

9. Средний срок службы - 43800 ч.

Используется в качестве исполнительного устройства для дозирования компонентов в системе.

Фирма: КЗМЭМ

Рис. 12.

Характеристики:

1. Тип корпуса - проходной, литой (латунь)

2. Рабочее давление: 0 - 0,1МПа

3. Присоединение муфтовое

5. Потребляемая мощность - 0,15Вт

6. Число срабатываний - не менее 500000

7. Время срабатывания - не более 1 с

8. Средний срок службы - 26280 ч.

Используется в качестве устройства для перекачки компонентов в системе.

Фирма: Grundfos

Рис. 13.

Характеристики:

1. Рабочий объем от 0,12 до 0,34 см 3 /об

2. Рабочее давление до 70 МПа

3. Частота вращения от 500 до 3600 об/мин

Используется в качестве устройства для смешивания компонентов в системе.

Фирма: «Воплощение»

Рис. 14.

Характеристики:

1. Масса - не более 215 кг

2. Рабочая вместимость бака - 156 л

3. Производительность техническая - не более 950 л/ч

4. Установленная мощность - не более 3 кВт

5. Частота - 50 Гц

6. Средний срок службы - 35040 ч.

12) Бак из нержавеющей стали

Используется в качестве устройства для приготовления продукта.

Фирма: Unical

Рис. 15.

Характеристики:

1. Объем бака - 300 л

2. Максимальная рабочая температура - 120 C

3. Максимально рабочее давление - 10 бар

4. Средний срок службы - 26280 ч.

В общем виде структурная схема одноконтурной системы автоматического управления представлена на рисунке 1.1. Система автоматического управления состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом. Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и схемой управления система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующий его выходными параметрами и характеристиками.

Всякий технологический процесс характеризуется определенными физическими величинами (параметрами). Для рационального хода технологического процесса некоторые его параметры требуется поддерживать постоянными, а некоторые изменять по определенному закону. При работе объекта, управляемого системой автоматизации, в основном ставится задача поддержания рациональных условий протекания технологического процесса.

Рассмотрим основные принципы построения структур локальных автоматических систем регулирования. При автоматическом регулировании решаются, как правило, задачи трех типов.

К первому типу задач относится поддержание на заданном уровне одного или нескольких технологических параметров. Автоматические системы регулирования, решающие задачи такого типа, называют системами стабилизации. Примерами систем стабилизации могут служить системы регулирования температуры и влажности воздуха в установках кондиционирования воздуха, давления и температуры перегретого пара в котлоагрегатах, числа оборотов в паровых и газовых турбинах, электродвигателях и т.п..

Ко второму типу задач относится поддержание соответствия между двумя зависимыми или одной зависимой и другими независимыми величинами. Системы, регулирующие соотношения, получили название следящих автоматических систем, например автоматические системы регулирования соотношения «топливо - воздух» в процессе сжигания топлива или соотношения «расход пара – расход воды» при питании котлов водой и др.

К третьему типу задач относится изменение регулируемой величины во времени по определенному закону. Системы, решающие этот тип задач, называют системами программного регулирования. Характерным примером такого типа систем является система управления температурным режимом при термической обработке металла.

В последние годы широко применяют экстремальные (поисковые) автоматические системы, обеспечивающие максимальный положительный эффект функционирования технологического объекта при минимальных затратах сырья, энергии и т.п.

Совокупность технических средств, с помощью которых одну или несколько регулируемых величин без участия человека-оператора приводят в соответствие с их постоянными или изменяющимися по определенному закону заданными значениями путем выработки воздействия на регулируемые величины в результате сравнения их действительных значений с заданными, называют автоматической системой регулирования (АСР) или автоматической системой управления. Из определения следует, что в общем случае в состав простейшей АСР должны входить следующие элементы:

объект управления (ОУ), характеризующийся регулируемой величиной х n . x(t);

измерительное устройство (ИУ), измеряющее регулируемую величину и преобразующее ее в форму, удобную для дальнейшего преобразования либо для дистанционной передачи;

задающее устройство (ЗУ), в котором устанавливается сигнал уставки, определяющий заданное значение или закон изменения регулируемой величины;

сравнивающее устройство (СУ), в котором действительное значение регулируемой величины х сравнивается предписанным значением g(t) и,

выявляется отклонение (g(t)- x(t));

регулирующее устройство (РУ), вырабатывающее при поступлении на его вход отклонения (ε) регулирующее воздействие, которое необходимо подать на объект регулирования, чтобы устранить имеющееся отклонение регулируемой величины х от предписанного значения g(t);

исполнительный механизм (ИМ). На выходе РУ регулирующее воздействие имеет небольшую мощность и, выдается в форме, не пригодной в общем случае для непосредственного воздействия на объект регулирования. Требуется либо усиление регулирующего воздействия, либо преобразования в удобную форму х р. Для этого применяют специальные исполнительные механизмы, являющиеся исполнительными выходными устройствами регулирующего элемента;

регулирующий орган (РО). Исполнительные механизмы не могут непосредственно воздействовать на регулируемую величину. Поэтому объекты регулирования снабжают специальными регулирующими органами РО, через которые ИМ воздействует на регулируемую величину;

линии связи, через которые сигналы передаются от элемента к элементу в автоматической системе.

В качестве примера рассмотрим укрупненную структурную схему автоматического управления (рисунок 1.1). На схеме выходные параметры -результат работы управляемого объекта, обозначены х 1 , х 2 , ………х n . Кроме этих основных параметров, работа объектов автоматизации характеризуется рядом вспомогательными параметрами (у 1 , у 2 ,…….у n), которые должны контролироваться и регулироваться, например, поддерживаться постоянными.

Рисунок 1.1. Структурная схема автоматического управления

В процессе работы на объект управления поступают возмущающие воздействия f1 …. fn, вызывающие отклонения параметров х1…….хn от их рациональных значений. Информация о текущих значениях х тек и у тек поступает в систему управления и сравнивается с их предписанными значениями (уставками) g1…… gn, в результате чего система управления оказывает управляющие воздействия Е1…..Еn на объект, направленные на компенсацию отклонений текущих выходных параметров от заданных значений.

По структуре системы автоматического управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрализованными и многоуровневыми. При этом одноуровневыми системами управления называют системы, в которых управление объектом осуществляется из одного пункта управления или из нескольких самостоятельных. Одноуровневые системы, в которых управление осуществляется из одного пункта управления, называют централизованными. Одноуровневые системы, в которых отдельные части сложного объекта управляются из самостоятельных пунктов управления, называют децентрализованными.

2.2 Функционально – технологические схемы автоматического управления

Функционально-технологическая схема – основной технический документ, определяющий функционально-блочную структуру приборов узлов и элементов системы автоматического управления, регулирования технологического процесса (операций) и контроля его параметров, а также оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации. Также схемы часто называют просто схемами автоматизации. Состав и правила выполнения диктуются требованиями стандартов (см. гл.1).

Функционально-технологическую схему автоматизации выполняют на одном чертеже, на котором условными обозначениями изображены технологическое оборудование, транспортные линии и трубопроводы, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации с указанием связей между ними. Вспомогательные устройства (источники питания, реле, автоматы, выключатели, предохранители и т.п.) на схемах не показывают.

Функциональные схемы автоматизации связаны с технологией производства и технологическим оборудованием, поэтому на схеме показывают размещение технологического оборудования упрощенно, без соблюдения масштаба, но с учетом действительной конфигурации.

Кроме технологического оборудования на функциональных схемах автоматизации в соответствии со стандартами упрощенно (двухлинейное) и условно (однолинейное) изображают транспортные линии различного назначения.

Как построение так и изучение схем технической документации надо вести в определенной последовательности.

Параметры технологического процесса, которые подлежат автоматическому контролю и регулированию;

Функциональную структуру управления;

Контуры регулирования;

Наличие защиты и аварийной сигнализации и принятую блокировку механизмов;

Организацию пунктов контроля и управления;

Технические средства автоматизации, с помощью которых решаются функции контроля, сигнализации, автоматического регулирования и управления.

Для этого, необходимо знать принципы построения систем автоматического управления технологического контроля и условные изображения технологического оборудования, трубопроводов, приборов и средств автоматизации, функциональных связей между отдельными приборами и средствами автоматизации и иметь представление о характере технологического процесса и взаимодействии отдельных установок и агрегатов технологического оборудования.

На функциональной схеме линии коммуникации и трубопроводы чаще показывают в однолинейном изображении. Обозначение транспортируемой среды может быть как цифровым, так и буквенно-цифровым. (Например: 1.1 или В1). Первая цифра или буква указывает вид транспортируемой среды, а последующая цифра – ее назначение. Цифровые или буквенно-цифровые обозначения представляют на полках линий-выносок или над транспортной линией (трубопровода), а в необходимых случаях – в разрывах транспортной линий (при этом принятые обозначения поясняют на чертежах или в текстовых документах (см.таблицу 1.1.). На технологических объектах показывают ту регулирующую и запорную арматуру, технологические аппараты, которые непосредственно участвуют в контроле и управлении процессом, а также отборные (датчики), запорные и регулирующие органы, необходимые для определения относительного расположения мест отбора (мест установки датчиков), также измерения или контроля параметров (см. табл.1.2).

Комплектные устройства (машины централизованного контроля, управляющие машины, полукомплекты телемеханики и т.п.) обозначают прямоугольником произвольных размеров с указанием внутри прямоугольника типа устройства (по документации завода - изготовителя).

В отдельных случаях некоторые элементы технологического оборудования также изображают на схемах в виде прямоугольников с указанием наименования этих элементов. При этом около датчиков, отборных, приемных и других, подобных по назначению устройств указывают наименование того технологического оборудования, к которому они относятся.

Таблица 1.1. Обозначение транспортных линий трубопроводов по ГОСТ 14.202 – 69

Содержимое транспортных линий (трубопроводов)	Условное Цифровое и буквенное обозначение	Обозначение в цвете
Жидкость или газ (общее)	-	Красный, желтый
Вода Пар Воздух Кислород	- 1.1 - 1.0 - - 2.1 - 2.0 - - 3.1 - 3.6 - - 3 - 7 -	Зеленый Розовый Голубой Синий
Инертные газы	- 5.1-5.0 -	Фиолетовый
Аммиак Кислота (окислитель) Щелочь Масло Жидкое горючее	- 11 - 11 - - 3 - 7 - - 7.1-7.0 - -8.4 – 14 – - 8.6 -	Серый Оливковый Серо – коричневый Коричневый Желтый
Горючие и взрывоопасные газы	-16 – 16 -	Оранжевый
Водопровод	ВО – В9	-
Противопожарный трубопровод	В2	Светло - серый
Канализация	КО – К12	-
Теплопровод	ТО – Т8	-

Таблица 1.2. Условные обозначения технологической арматуры

Наименование	Обозначение по ГОСТ 14.202 - 69
Вентиль запорный проходной (задвижка)
Вентиль с электрическим приводом
Вентиль трехходовой
Клапан предохранительный
Затвор поворотный (заслонка, шибер)
Привод исполнительный мембранный
Таблица 1.3. Выходные электрические коммутирующие элементы
Наименование	Обозначение по ГОСТ 2.755 - 87
Контакт для коммутации сильноточной цепи (контакт контактора)
Контакт замыкающий
Контакт размыкающий

Для облегчения чтения схем на трубопроводах и других транспортных линиях проставляют стрелки, указывающие направление движения вещества.

В функционально-технологической схеме, а также у изображения трубопровода, по которому вещество уходит из данной системы, делается соответствующая надпись, например: «Из цеха абсорбции», «От насосов», «В схему полимеризации».

Рисунок 1.2. Изображение датчиков и отборных устройств (фрагмент)

Условные графические обозначения средств автоматизации приведены в таблицах 1.2., 1.3., 1.4.. Условные графические обозначения электроаппаратуры, применяемые в функциональных схемах автоматизации, следует изображать в соответствии со стандартами (табл. 1.3.). При отсутствии стандартных условных обозначений каких – либо автоматических устройств следует принять свои обозначения и пояснить их надписью на схеме. Толщина линий этих обозначений должна быть 0,5 – 0,6 мм, кроме горизонтальной разделительной линии в условном изображении прибора, устанавливаемого на щите, толщина, которой 0,2 – 0,3 мм.

Отборное устройство для всех постоянно подключенных приборов не имеет специального обозначения, а представляет собой тонкую сплошную линию, соединяющую технологический трубопровод или аппарат с прибором (рис. 1.2. приборы 2 и 3а). При необходимости указания точного места расположения отборного устройства или точки измерения (внутри графического обозначения технологического аппарата) в конце жирно изображают окружность диаметром 2 мм (рис. 1.2 приборы 1 и 4а).

Таблица 2.4. Условные графические обозначения средств автоматизации и приборов

Наименование	Условное обозначение по ГОСТ 21.404 - 85
Первичный измерительный преобразователь (датчик) или прибор, устанавливаемый по месту (на технологической линии, аппарате, стене, полу, колонне, металлоконструкции). Базовое Допускаемое
Прибор, устанавливаемый на щите, пульте Базовое Допускаемое
Отборное устройство без постоянного подключения прибора
Исполнительный механизм
Выключатель путевой
Звонок электрический, сирена, гудок
Электронагреватель: а) сопротивления, в) индукционный
Прибор регистрирующий
Лампа накаливания, газоразрядная (сигнальная)
Машина электрическая трехфазная (М – двигатель, G - генератор)
Машина электрическая постоянного тока (двигатель М, генератор G)

Для получения полного (свободно читаемого) обозначения прибора или другого средства автоматизации в его условно-графическое изображение в виде круга или овала вписывают буквенное условное обозначение, которое и определяет назначение, выполняемые функции, характеристики и параметры работы. При этом месторасположение буквы определяет ее значение. Таким образом, буквы, приведенные в таблице 1.5 – это основные параметры и функции, а буквы, приведенные в таблице 1.6 - уточняют функцию, параметр.

Таблица 1.5. Обозначение основных измеряемых параметров в схемах автоматизации

Измеряемый параметр	Обозначение
Плотность	D
Любая электрическая величина. Для конкретизации измеряемой электрической величины справа от условного графического изображения прибора необходимо дать ее наименование, например, напряжение, сила тока, мощность и т.п.	E U, I, P
Расход	F
Размер, положение, перемещение	G
Время, временная программа	K
Уровень	L
Влажность	M
Давление, вакуум	P
Состав, концентрация и т.п.	Q
Скорость, частота	S
Температура	T
Вязкость	V
Масса	W
Несколько разнородных измеряемых величин	U

Для обозначения ручного управления используют букву H. Для обозначения величин, не предусмотренных стандартом, могут быть использованы резервные буквы: A, B, C, I, N, O, Y, Z (буква X - не рекомендуется). Использованные резервные буквы должны быть расшифрованы надписью на свободном поле схемы.

Ниже приведены обозначения уточняющих значений измеряемых величин.

Таблица 1.6. Дополнительные буквенные обозначения

Букву, служащую для уточнения измеряемой величины, ставят после буквы, обозначающей измеряемую величину, например P,D, - разность (перепад) давлений.

Функции, выполняемые приборами по отображению информации, обозначают латинскими буквами (см. таблицу 2.7).

Таблица 1.7. Буквенные обозначение функции

Дополнительно могут быть использованы обозначения буквами E, G, V.

Все перечисленные буквенные обозначения проставляют в верхней части окружности, обозначающей прибор (устройство).

Если для обозначения одного прибора используется несколько букв, то порядок их расположения после первой, обозначающей измеряемую величину, должен быть, например: TIR – прибор измерения и регистрации температуры, PR – прибор для регистрации давления.

При обозначении устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных операции, на первом месте ставят букву H.

Для примера на рис. 1.2 приведена схема автоматизации с использованием регистрирующих приборов для температуры и перепада давлений, где для формирования условного обозначения прибора (комплекта), в верхней части окружности указывают функциональное назначение, а в нижней части окружности располагают позиционное обозначение его (буквенно – цифровое или цифровое – 1, 2, 4а, 4б, 3а, 3б). Таким образом, все элементы одного комплекта, т.е. одной функциональной группы приборов (первичный, промежуточный и передающий измерительные преобразователи, измерительный прибор, регулирующий прибор, исполнительный механизм, регулирующий орган), обозначают одной и той же цифрой. При этом цифру 1 присваивают первому (слева) комплекту, цифру 2 - второму и т.д.

Чтобы различить элементы одного комплекта, рядом с цифрой помещают буквенный индекс (буквы З и О, начертание которых похоже на начертание цифр, применять не рекомендуется): у первичного преобразователя (чувствительного элемента) – индекс «а», у передающего преобразователя – «б», у измерительного прибора – «в», и т.д. Таким образом, для одного комплекта полное обозначение первичного измерительного преобразователя будет 1а, передающего измерительного преобразователя 1б, измерительного (вторичного) прибора 1в, и т.д. при этом высота цифры равна 3,5 мм, высота буквы 2,5 мм.

Развитие АСУ ТП на современном этапе связано с широким использованием для управления микропроцессоров и микроЭВМ, стоимость которых с каждым годом становится все более низкой по сравнению с общими затратами на создание систем управления. До появления микропроцессоров эволюция систем управления технологическими процессами сопровождалась увеличением степени централизации. Однако возможности централизованных систем теперь уже оказываются ограниченными и не отвечают современным требованиям по надежности, гибкости, стоимости систем связи и программного обеспечения.

Переход от централизованных систем управления к децентрализованным вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности к их работе. Централизация систем управления экономически оправдана при сравнительно небольшой информационной мощности (число каналов контроля и регулирования) ТОУ и его территориальной сосредоточенности. При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы управления становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов.

Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУ ТП следует признать автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой, базирующееся на функционально-целевой и топологической децентрализации объекта управления.

Функционально-целевая децентрализация - это разделение сложного процесса или системы на меньшие части - подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т. д.), имеющие самостоятельные цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность территориального (пространственного) разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. При оптимальной топологической децентрализации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру.

Технической основой современных распределенных систем управления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются микропроцессоры и микропроцессорные системы.

Микропроцессорная система выполняет функции сбора данных, регулирования и управления, визуализации всей информации базы данных, изменения уставок, параметров алгоритмов и самих алгоритмов, оптимизации и т.д. Использование микропроцессоров (в том числе микроЭВМ) для решения перечисленных задач дает возможность достичь следующих целей:

а) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость систем управления;

б) заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства, или микроконтроллеры ;

в) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются.

Микропроцессорные системы могут выполнять в подсистемах распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измерения, регулирования, управления, представления информации оператору.

В распределенных АСУ ТП приняты в основном три топологические структуры взаимодействия подсистем: звездообразная (радиальная); кольцевая (петлевая); шинная (магистральная) или их комбинации. Организация связи с датчиками и исполнительными устройствами носит индивидуальный и преимущественно радиальный характер.

На рис.3.5 изображены варианты топологий распределенных АСУ ТП.

Рисунок 3.5 - Типовые структуры распределенных АСУ ТП:

а - радиальная, б - магистральная, в - кольцевая

Радиальная структура взаимодействия подсистем (рис.3.5,а) отражает традиционно применявшийся способ соединения устройств с выделенными линиями связи и характеризуется следующими особенностями:

а) существуют отдельные, не связанные между собой линии, объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами автоматики ЛА i ;

б) технически просто реализуются устройства сопряжения УС 1 -УС m локальной автоматики. Центральное устройство связи УСЦ представляет собой набор модулей типа УС i по числу линий либо достаточно сложное устройство мультиплексирования каналов передачи информации;

в) обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдельным линиям при достаточно высокой производительности вычислительных устройств на уровне ЦП;

г) надежность подсистемы связи в значительной степени зависит от надежности и живучести технических средств ЦП. Выход из строя ЦП практически разрушает подсистему обмена, так как все потоки информации замыкаются через верхний уровень.

Распределенная система с радиальной структурой является двухуровневой системой, где на нижнем уровне в подсистемах реализуются необходимые функции контроля, регулирования, управления, а на втором - в ЦП координирующая микроЭВМ (или мини-ЭВМ) кроме координации работы микроЭВМ-сателлитов осуществляет оптимизацию задач управления ТОУ, распределение энергии, управляет технологическим процессом в целом, вычисляет технико-экономические показатели и т.п. Вся база данных в распределенной системе с радиальной структурой должна быть доступной координирующей микроЭВМ для прикладных программ управления на верхнем уровне. Вследствие этого координирующая микроЭВМ работает в режиме реального времени и должна управляться с помощью языков высокого уровня.

На рис.3.5 (б, в) изображены кольцевая и шинная топологии взаимодействия уровней. Эти структуры имеют ряд достоинств по сравнению с радиальной:

а) работоспособность подсистемы связи, включающей в себя канал и устройства связи, не зависит от исправности технических средств на уровнях автоматизации;

б) имеются возможности подключения дополнительных устройств и контроля всей подсистемы с помощью специальных средств;

в) необходимы значительно меньшие затраты кабельной продукции.

За счет обмена информацией между ЛА i через канал связи и УС («каждый с каждым») появляется дополнительная возможность динамического перераспределения функций координации совместной работы подсистем ЛА по нижним уровням в случае выхода из строя ЦП. Шинная (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает широковещательный режим обмена между подсистемами, что является важным преимуществом при реализации групповых команд управления. Вместе с тем шинная и кольцевая архитектура предъявляет уже значительно более высокие требования к «интеллекту» устройств сопряжения, а следовательно, повышенные единовременные затраты на реализацию базовой сети.

Сравнивая кольцевую и шинную топологии подсистемы связи, следует отметить, что организация кольцевой структуры менее дорогостоящая, чем шинная. Однако надежность всей подсистемы с кольцевой системой связи определяется надежностью каждого устройства сопряжения и каждого отрезка линий связи. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с обходными путями. Работоспособность физического канала передачи для шинной архитектуры с трансформаторной развязкой не зависит от исправности устройств сопряжения, однако, как и для кольца, выход из строя любого устройства сопряжения в наихудшем случае приводит к полностью автономной работе отказавшего узла подсистемы, т. е. к потере функции управления от уровня ЦП автоматикой отказавшего узла.

Явным методом повышения живучести всей системы автоматики в случае отказа устройств согласования в подсистеме связи является дублирование устройств согласования в узлах подсистемы. В кольцевой структуре такой подход уже подразумевается при организации двойных колец и обходных путей. Если надежность непрерывного физического канала для нижней топологии не вызывает сомнений, то возможно дублирование только устройств сопряжения без применения резервного магистрального кабеля.

Более дешевым способом повышения надежности подсистемы связи является использование комбинированных структур, сочетающих в себе достоинства радиальных и кольцевых (магистральных) топологий. Для кольца число радиальных связей может быть ограничено двумя-тремя линиями, реализация которых дает простое и недорогое решение.

Оценка таких показателей распределенных АСУ ТП, как экономические (затраты на кабельную продукцию, трассировку кабеля, на разработку или приобретение сетевых средств, в том числе устройства связи и т. п.), функциональные (использование групповых операций передачи, интенсивность обмена, возможность обмена «каждый с каждым»), а также показатели унификации и возможности эволюции сети (возможность простого включения дополнительных узлов-абонентов, тенденции к применению в АСУ ТП) и показатели надежности сети (отказ канала связи и устройств связи или сопряжения), позволяет сделать следующие выводы:

а) наиболее перспективной в смысле развития и использования является магистральная организация подсистемы связи;

б) функциональные возможности магистральной топологии не уступают возможностям кольцевой и радиальной;

в) надежностные показатели магистральной структуры достаточно удовлетворительные;

г) магистральная топология распределенной АСУ ТП требует больших единовременных затрат на создание и внедрение канала связи и устройств сопряжения.

Во многом благодаря этим особенностям магистральной структуры и модульной организации аппаратных и программных средств в современных АСУ ТП магистрально-модульный принцип построения технического обеспечения нашел преимущественное распространение.

Применение микропроцессоров и микроЭВМ позволяет эффективно и экономно реализовать принцип функциональной и топологической децентрализации АСУ ТП. Тем самым можно значительно повысить надежность и живучесть системы, сократить дорогостоящие линии связи, обеспечить гибкость функционирования и расширить область применения в народном хозяйстве комплексов технических средств, основным элементом которых является микроЭВМ или микропроцессор. В таких распределенных системах управления большое значение приобретает стандартизация интерфейсов , т.е. установление и применение единых норм, требований и правил, гарантирующих информационное объединение технических средств в типовых структурах АСУ ТП.

1. Иерархическая трехуровневая структура АСУ ТП

Чаще всего распределенные АСУ ТП имеют трехуровневую структуру. Пример структурной схемы комплекса технических средств такой системы приведен на рисунке 1.

На верхнем уровне с участием оперативного персонала решаются задачи диспетчеризации процесса, оптимизации режимов, подсчета технико-экономических показателей производства, визуализации и архивирования процесса, диагностики и коррекции программного обеспечения системы. Верхний уровень АСУ ТП реализуется на базе серверов, операторских (рабочих) и инженерных станций.

На среднем уровне - задачи автоматического управления и регулирования, пуска и останова оборудования, логико-командного управления, аварийных отключений и защит. Средний уровень реализуется на основе ПЛК.

Нижний (полевой) уровень АСУ ТП обеспечивает сбор данных о параметрах технологического процесса и состояния оборудования, реализует управляющие воздействия. Основными техническими средствами нижнего уровня являются датчики и исполнительные устройства, станции распределенного ввода/вывода, пускатели, концевые выключатели, преобразователи частоты.

Рис.1

2. Уровень ввода/вывода (полевой уровень)

Входные сигналы от датчиков и управляющие воздействия на исполнительные механизмы могут подаваться непосредственно на ПЛК (поступать от ПЛК). Однако если ТОУ имеет значительную территориальную протяженность, это потребует длинных кабельных линий от каждого устройства к ПЛК. Такое техническое решение может оказаться не рациональным по двум причинам:

высокая стоимость кабельной продукции;
возрастание уровня электромагнитных помех с ростом длины линий.

Более рациональным в такой ситуации является использование станций распределенной периферии, располагающихся в непосредственной близости к датчикам и исполнительным механизмам. Такие станции содержат необходимые модули ввода и вывода, а также интерфейсные модули для подключения к ПЛК через цифровую полевую шину (например, с использованием протокола Profibus DP, или Modbus RTU). Цифровая передача всех сигналов осуществляется по одному кабелю с высоким уровнем помехозащищенности. К полевой шине могут непосредственно подключаться также так называемые интеллектуальные датчики и исполнительные устройства (имеющие в своем составе контроллеры и другие блоки, обеспечивающие преобразование сигнала в цифровую форму и реализующие обмен данными через полевую шину).

Упрощенная схема ввода/вывода с использованием станции распределенной периферии приведена на рисунке 2. Полевая шина Profibus DP (Process field bus Distributed Periphery) позволяет соединить до 125 устройств, до 32 на сегмент (ПЛК, станций распределенной периферии, интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств). Станция распределенной периферии состоит из трех основных компонент:

базовой панели (Baseplate), на которую в специальные слоты устанавливают модули ввода/вывода и интерфейсные модули, или специальной профильной рейки, на которую крепятся модули;
модулей ввода/вывода (I/O Modules);
интерфейсных модулей (Interface modules), обеспечивающих обмен данными с ПЛК через цифровую полевую шину.

Рис. 2

Количество слотов под установку модулей может быть различным (чаще всего от 2 до 16). Крайний левый слот обычно используется для установки интерфейсного модуля. Блок питания может быть установлен на базовой панели или может быть использован отдельный (внешний) блок. Внутри базовой панели проходят две шины: одна служит для подачи питания на установленные модули; другая - для информационного обмена между модулями.

На рисунке 3 приведено фото узла распределенного ввода/вывода модели 2500 фирмы Eurotherm. На базовой панели расположено 8 модулей ввода/вывода и интерфейсный модуль Profibus DP, блок питания - внешний. На рисунке 4 приведено фото станции распределенной периферии фирмы Siemens ET 200M. На базовой панели 6 сигнальных модулей (модулей ввода/вывода) 1 интерфейсный модуль Profibus DP (крайний слева) и блок питания.

Рис.3

Рис.4

2.1 Сигнальные модули (модули ввода/вывода)

Модули ввода/вывода бывают 4 типов:

1) Сигнальные модули аналогового ввода (AI, analogue input). Они принимают от датчиков, подключенных к его входам, электрические сигналы унифицированного диапазона, например:

0-20 или 4-20 mA (токовый сигнал);
0-10 V или 0-5 V (потенциальный сигнал);
сигналы от термопар (TC) измеряются миливольтами;
сигналы от термосопротивлений (RTD).

Допустим, у нас есть датчик давления с диапазоном измерений 0-6 бар и токовым выходом 4-20 mA. Датчик измеряет давление P, которое в данный момент равно 3 бар. Так как датчик линейно преобразует значение измеряемого давления в токовый сигнал, то на выходе датчика будет:

Вход сигнального модуля AI, настроенный на те же диапазоны (4-20 mA и 0-6 бар), принимает сигнал 12 mA и делает обратное преобразование:

Соответствие диапазона электрического сигнала между входом модуля и выходом подключенного к нему датчика обязательно для корректной работы системы.

2) Сигнальные модули дискретного ввода (DI, discrete input). Принимают от датчиков дискретный электрический сигнал, который может иметь только два значения: или 0 или 24 V (в редких случаях 0 или 220 V). Вход модуля DI также может реагировать на замыкание/размыкание контакта в подключенной к нему цепи. К DI обычно подключают датчики контактного типа, кнопки ручного управления, статусные сигналы от систем сигнализации, приводов, позиционирующих устройств и т.д.

Допустим, у нас есть насос. Когда он не работает, его статусный (выходной) контакт разомкнут. Соответствующий дискретный вход сигнального модуля DI находится в состоянии “0”. Как только насос запустили, его статусный контакт замыкается, и напряжение 24 V идет на клеммы входа DI. Модуль, получив напряжение на дискретном входе, переводит его в состояние “1”.

3) Сигнальные модули дискретного вывода (DO, discrete output). В зависимости от внутреннего логического состояния выхода (“1” или “0”) устанавливает на клеммах дискретного выхода напряжение 24 V или 0 V соответственно. Есть вариант, когда модуль в зависимости от логического состояния выхода просто замыкает или размыкает внутренний контакт (модуль релейного типа). Модули DO могут управлять приводами, отсечными клапанами, зажигать светосигнальные лампочки, включать звуковую сигнализацию и т.д.

4) Сигнальные модули аналогового вывода (АО, analogue output) используются для подачи токового управляющего сигнала на исполнительные механизмы с аналоговым управляющим сигналом. Допустим, регулирующий клапан с управляющим входом 4-20 mA необходимо открыть на 50 %. В этом случае на соответствующий выход АO, к которому подключен вход клапана, подается ток I вых:

Под действием входного тока 12 mA клапан переходит на 50 % открытия.

Соответствие диапазона электрического сигнала между выходом модуля и входом подключенного к нему исполнительного механизма обязательно. Модуль ввода/вывода также характеризуются канальностью – числом входов/выходов, а, следовательно, и количеством сигнальных цепей, которые к нему можно подключить. Например, модуль AI4 - это четырехканальный модуль аналогового ввода. К нему можно подключить 4 датчика. DI16 - модуль дискретного ввода, имеющий шестнадцать каналов. К нему можно подключить 16 статусных сигналов от технологических агрегатов.

В современных системах расположение модулей ввода/вывода на базовой плате строго не регламентировано, и их можно устанавливать в произвольном порядке. Однако один или несколько слотов, как правило, зарезервированы под установку коммуникационного модуля. Иногда возможна установка сразу двух коммуникационных модулей, работающих параллельно. Это делается для повышения отказоустойчивости системы ввода/вывода.

Одним их жестких требований, предъявляемых к современным подсистемам ввода/вывода, является возможность “горячей” замены модулей без отключения питания (функция hot swap).

Коммуникационные модули обеспечивают обмен данными между ПЛК, станциями распределенной периферии, интеллектуальными датчиками и исполнительными устройствами. Модули поддерживают один из коммуникационных протоколов:

Profibus DP;
Profibus PA;
Modbus RTU;
HART;
CAN и др.

Обмен информацией, как правило, осуществляется с использованием механизма ведущий-ведомый (master-slave). Только ведущее устройство на шине может инициировать обмен данными. Ведомые устройства пассивно прослушивают все данные, идущие по шине, и только в случае получения запроса от ведущего устройства отправляют обратно ответ. Каждое устройство на шине имеет свой уникальный сетевой адрес, необходимый для однозначной идентификации. Узлы ввода/вывода, как правило, являются ведомыми устройствами, в то время как контроллеры - ведущими.

На рисунке 5 показана цифровая полевая шина, объединяющая один контроллер (с монитором) и четыре узла ввода/вывода. Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой уникальный адрес. Пусть, например, ПЛК с адресом 1 хочет считать показание датчика давления. Датчик подключен к станции распределенной периферии с сетевым адресом 5, к модулю AI, расположенному в слоте 6, входной канал 12. Тогда ПЛК формирует и отправляет по шине запрос следующего содержания:

Рис. 5

Каждый узел прослушивает все запросы на шине. Узел 5 узнает, что запрос адресован ему, считывает показание датчика и формирует ответ в виде следующего сообщения:

Контроллер, получив ответ от ведомого устройства, считывает поле данных с датчика и выполняет соответствующую обработку. Пусть, например, после обработки данных ПЛК вырабатывает управляющий сигнал на открытие клапана на 50 %. Управляющий вход клапана подключен к второму каналу модуля AO, расположенного в слоте 3 узла 7. ПЛК формирует команду следующего содержания:

Узел 7, прослушивая шину, встречает адресованную ему команду. Он записывает уставку 50 % в регистр, соответствующий слоту 3, каналу 2. При этом модуль AO формирует на выходе 2 необходимый электрический сигнал. После чего узел 7 высылает контроллеру подтверждение успешного выполнения команды.

Контроллер получает ответ от узла 7 и считает, что команда выполнена. Это всего лишь упрощенная схема взаимодействия контроллера с узлами ввода/вывода. В реальных АСУ ТП, наряду с рассмотренными выше, используется множество диагностических, управляющих и сервисных сообщений. Хотя сам принцип “запрос-ответ” (“команда-подтверждение”), реализованный в большинстве полевых протоколов, остается неизменным.

Напомним еще раз, что наряду с рассмотренной выше схемой ввода/вывода в АСУ ТП могут применяться схемы ввода/вывода через сигнальные модули, установленные непосредственно в слоты (или на профильную рейку) ПЛК (без использования станций распределенной периферии).

2.2 Обработка аналоговых сигналов в процессе ввода в контроллер

Для ввода аналогового сигнала в контроллер и его последующей обработки, он должен быть оцифрован, т.е. преобразован в цифровой код. Процесс обработки сигнала от аналогового датчика до использования в контроллере схематически показан на рисунке 6.

Рис.6 Схема обработки аналогового сигнала при вводе в контроллер

Сигналы от датчиков доводятся до нормированного уровня (4 – 20 mA, 0 – 10 V) нормирующими преобразователями (НП) и проходят этап аналоговой фильтрации. Аналоговые фильтры позволяют устранить высокочастотные шумы, которые могут быть вызваны, например, электромагнитными помехами при передаче сигнала по кабелю.

Необходимо отметить, что сигнал должен быть отфильтрован от высокочастотных шумов до цифровой обработки в контроллере. Это является необходимым условием правильного выбора периода дискретизации при вводе сигнала. Дело в том, что для адекватного восстановления исходного аналогового сигнала по дискретным данным, частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать наивысшую частоту в спектральном разложении вводимого сигнала (спектральный состав может быть получен в результате разложения сигнала в ряд Фурье). При более низкой частоте дискретизации в восстановленном сигнале появится ложная составляющая (так называемая псевдочастота), которую невозможно детектировать и устранить на этапе цифровой обработки. Наличие высокочастотного шума потребует очень высокой частоты дискретизации (частоты опроса датчика), что будет неоправданно загружать контроллер.

Отфильтрованные сигналы от датчиков поступают на аналоговый мультиплексор, основное назначение которого – последовательное подключение сигналов от N датчиков к устройству выборки-хранения (УВХ) и аналого-цифровому преобразователю (АЦП) для дальнейшей обработки. Такая схема позволяет существенно снизить общую стоимость системы ввода за счет применения только одного УВХ и АЦП на все каналы аналогового ввода. УВХ запоминает мгновенное значение сигнала в момент подключения датчика и удерживает его постоянным на своем выходе на время преобразования в АЦП.

В контроллере введенный цифровой сигнал проверяется на физическую достоверность и, при необходимости, проходит этап цифровой (программной) фильтрации.