Автоматизированные системы управления техническим процессом

Таблица 1 Отличия программируемого контроллера от персонального компьютера

Классификация ПЛК как основных компонентов ПТК

Все универсальные микропроцессорные ПЛК, составляющие основу программно-технических комплексов (ПТК), подразделяются на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте управления.

Локальные программируемые контроллеры.

Встраиваемый в оборудование и являющийся его неотъемлемой частью. Такой контроллер может управлять станком с ЧПУ, современным интеллектуальным аналитическим прибором, автомашинистом и другим оборудованием. Выпускается на раме (плате) без специального кожуха, поскольку монтируется в общий корпус оборудования.

Автономный, реализующий функции контроля и управления небольшим достаточно изолированным технологическим объектом, как, например, районные котельные, электрические подстанции. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме «точка-точка» с другой аппаратурой и интерфейсы, которые могут через сеть связывать их с другими средствами автоматизации. В такой контроллер часто встраивается или подключается к нему специальная панель оператора, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш.

Локальные контроллеры, как правило, имеют небольшую или среднюю вычислительную мощность, а количество их входов/выходов, колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен. Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования и программно-логического управления. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации. В этом классе следует выделить специальный тип локальных контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты. Они отличаются особенно высокой надежностью, живучестью и быстродействием. В них предусматриваются различные варианты полной текущей диагностики неисправностей с локализацией их до отдельной платы, резервирование, как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом.

Сетевые комплексы контроллеров

На структурной схеме отображаются в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между пунктами контроля и управления, оперативным персоналом и технологическим объектом управления. Принятые при выполнении структурной схемы принципы организации оперативного управления технологическим объектом, состав и обозначения отдельных элементов структурной схемы должны сохраняться во всех проектных документах на АСУ ТП, в которых они конкретизируются и детализируются: функциональных схемах автоматизации, структурной схеме комплекса технических средств (КТС) системы, принципиальных схемах контроля и управления, а также в проектных документах, касающихся организации оперативной связи и организационного обеспечения АСУ ТП.

Исходными материалами для разработки структурных схем являются:

задание на проектирование АСУ ТП;

принципиальные технологические схемы основного и вспомогательного

производств технологического объекта;

задание на проектирование оперативной связи подразделений автоматизируемого технологического объекта;

генплан и титульный список технологического объекта.

Структурная схема разрабатывается на стадиях "проект" и "рабочий проект". На стадии "рабочая документация" при двухстадийном проектировании структурная схема разрабатывается только в случае изменений технологической части проекта или решений по АСУ ТП, принятых при утверждении проекта автоматизации.

В качестве примера на рис. 2.4 приведена структурная схема управления сернокислотным производством.

На структурной схеме показывают:

а) технологические подразделения автоматизируемого объекта (отделения, участки, цехи, производства);

б) пункты контроля и управления (местные щиты, операторские и диспетчерские пункты и т. п.), в том числе не входящие в состав разрабатываемого проекта, но имеющие связь с проектируемыми системами контроля и управления;

в) технологический (эксплуатационный) персонал и специализированные службы, обеспечивающие оперативное управление и нормальное функционирование технологического объекта;

г) основные функции и технические средства (устройства), обеспечивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управления;

д) взаимосвязь подразделений технологического объекта, пунктов контроля и управления и технологического персонала между собой и с вышестоящей системой управления (АСУ).

Все компоненты, расположенные на различных уровнях АСУ ТП, должны быть объединены цифровыми линиями связи.

Выбор типа сети определяется типом используемых технических средств, требованием к быстродействию, надежности. В настоящее время эта область достаточно быстро развивается. Многие фирмы поставляют на рынок средств автоматизации все более надежные и универсальные типы сетей. Поэтому при выборе сетевых решений необходимо учитывать современные тенденции в данной области.

1. Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC -Programming Logical Controoller), которые могут выполнять следующие функции:

сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры, как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки, и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

2. Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций. Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призваны решать SCADA - системы. SCADA - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

Правила выполнения структурных схем

Структурные схемы выполняются, как правило, на одном листе. Таблица с условными обозначениями (табл. 2.1) располагается на поле чертежа схемы над основной надписью. Таблипа заполняется сверху вниз. При большом числе условных обозначений продолжение таблицы помешают слева от основной надписи с тем же порядком заполнения. Основную надпись и дополнительные графы к ней выполняют согласно ГОСТ 21.103-78.

Толщину линий на схеме выбирают в соответствии с ГОСТ 2.303 -- 68. Рекомендуется использовать для условных изображений линии толщиной 0,5 мм; для линий связи -- 1 мм; для остальных линий -- 0,2 -- 0,3 мм.

Размеры цифр и букв для надписей выбирают в соответствии с ГОСТ 2.304 -- 81. Пояснительный текст следует выполнять в соответствии с ГОСТ 2.316 -- 68. Текстовую часть, помещенную на поле чертежа, располагают над основной надписью. Между текстовой и основной надписями не допускается помещать изображения, таблицы и т. п. Пункты пояснительного текста должны иметь сквозную нумерацию. Каждый пункт записывают с красной строки. Заголовок «Примечание» не пишут. В тексте и надписях не допускаются сокращения слов, за исключением общепринятых, а также установленных приложениями к ГОСТ 2.316 -- 68 и ГОСТ 2.105-79.

Размеры всех условных изображений не регламентируются и выбираются по усмотрению исполнителя с соблюдением одинаковых размеров для однотипных изображений.

Элементы структурной схемы изображаются, как правило, в виде прямоугольников. Отдельные функциональные службы [отдел главного энергетика (ОГЭ), отдел главного механика (ОГМ), отдел технического контроля (ОТК) и т. п.] и должностные лица (директор, главный инженер, начальник цеха, начальник смены, мастер и т. п.) допускается изображать на структурной схеме в виде кружков.

Внутри прямоугольников, изображающих участки (подразделения) автоматизируемого объекта, раскрывается их производственная структура. При этом выделяются цехи, участки, технологические линии либо группы агрегатов для выполнения законченного этапа технологического процесса, которые являются существенными для раскрытия в документах проекта всех взаимосвязей между управляемой (технологическим объектом управления) и управляющей системами.

На схеме функции АСУ ТП могут указываться в виде условных обозначений, расшифровка которых дается в таблице на поле чертежа (табл. 2.1).

Наименование элементов производственной структуры должны соответствовать технологической части проекта и наименованиям, используемым при выполнении других документов проекта АСУ ТП.

Взаимосвязь между пунктами контроля и управления, технологическим персоналом и объектом управления изображается на схеме сплошными линиями. Слияние и разветвление линий показываются на чертеже линиями с изломом (рис. 2.4).

При наличии аналогичных технологических объектов (цехов, отделений, участков и т. д.) допускается раскрывать на схеме структуру управления только для одного объекта. Об этом на схеме даются необходимые пояснения.

 Загальні принципи виконання схем автоматизації

Сучасний розвиток усіх галузей промисловості характеризується великим розмаїттям технологічних процесів. Практично не обмежені й умови їх застосування та вимоги до керування й автоматизації. Однак, спираючись на досвід проектуваннясистем керування та автоматизації, можна сформулювати деякі загальні принципи, якими слід керуватися, розробляючи схеми автоматизації:

рівень автоматизації технологічного процесу в кожен проміжок часу має визначатися не лише доцільністю впровадження певного комплексу технічних засобів та досягнутим рівнем науково-технічних розробок, а й перспективою модернізації та розвитку цих технологічних процесів;

під час розроблення схем автоматизації, а також вибираючи технічні засоби, слід ураховувати: вид та характер технологічного процесу, умови пожежо- та вибухобезпеки, агресивність і токсичність навколишнього та робочого середовищ тощо; параметри та фізико-хімічні властивості вимірюваного середовища; відстань від місця встановлення датчиків, допоміжних пристроїв, виконавчих механізмів, приводів машин та запірних органів до пунктів керування та контролю; потрібну точність та швидкодію засобів автоматизації;

систему автоматизації технологічних процесів потрібно будувати, як правило, на базі засобів автоматизації та обчислювальної техніки, що виробляються серійно. Намагатись застосовувати однотипні засоби автоматизації і віддавати перевагу уніфікованим системам, які характеризуються простотою поєднання, взаємозамінністю та зручністю компонування на щитах керування. Використання однотипної апаратури дає значні переваги під час монтажу, на-лагодженя, експлуатації, забезпечення запасними частинами тощо;

добираючи локальні засоби збирання та нагромадження первинної інформації (автоматичні датчики), вторинні прилади, регулювальні та виконавчі пристрої використовувати переважно прилади та засоби автоматизації Державної системи промислових приладів і засобів автоматизації;

вибираючи засоби автоматизації, що використовують допоміжну енергію (електричну, пневматичну, гідравлічну), керуватися умовами пожежо- та вибухобезпеки об'єкта, що автоматизується, агресивністю навколишнього середовища, вимогами до швидкодії, дальності передачі сигналів інформації та команд керування тощо;

обмежувати кількість приладів, апаратури керування і сигналізації, які монтуються на оперативних щитах і пультах. Надлишок апаратури ускладнює експлуатацію, відвертає увагу обслуговуючого персоналу від спостереження за основними параметрами, що визначають хід технологічного процесу, збільшує вартість установки, терміни монтажних та налагоджувальних робіт. Прилади і засоби автоматизації допоміжного призначення доцільніше розміщувати на окремих щитах поблизу технологічного устаткування.

Наведені принципи є загальними, але не вичерпними для всіх випадків, які можуть траплятися в практиці проектування систем автоматизації технологічних процесів. Однак для кожного конкретного випадку їх треба враховувати в реалізації технічного завдання на автоматизацію проектованого об'єкта.

Графічне зображення технологічного устаткування та комунікацій

Технологічне та інженерне обладнання на схемах автоматизації зображають відповідно до ГОСТ 2.780, ГОСТ 2.782, ГОСТ 2.788, ГОСТ 2.789, ГОСТ 2.790 - ГОСТ 2.795, комунікації залежно від транспортованих у них середовищ - до додатка 3 до ГОСТ 14202.

Під час розроблення схем автоматизації технологічне устаткування та комунікації зображають зазвичай без наведення окремих технологічних апаратів і трубопроводів допоміжного призначення. Однак зображена таким чином технологічна схема має давати чітке уявлення про принцип її роботи та взаємодію із засобами автоматизації.

Технологічні апарати і трубопроводи допоміжного призначення показують лише у випадках, коли вони механічно з'єднані чи взаємодіють із засобами автоматизації. В окремих випадках деякі елементи технологічного устаткування допускається зображувати на схемах автоматизації у вигляді прямокутників із зазначенням назв цих елементів або не показувати зовсім.

На технологічних трубопроводах зазвичай показують ту регулювальну та запірну арматуру, яка безпосередньо бере участь у контролі та керуванні процесом, а також запірні та регулювальні органи, потрібні для визначення відносного розміщення місць відбору імпульсів, чи ті, що пояснюють необхідність вимірювання.

Технологічні комунікації і трубопроводи рідин та газів зображують умовними позначеннями (нумерують) відповідно до ГОСТ 2.784-96, наведеними в табл. 5.1. Для більш детального розкриття характеру середовища до цифрового позначення може додаватися літерний індекс, наприклад, вода чиста - 1ч, пара перегріта - 2п, пара насичена - 2н тощо. Умовні числові позначення трубопроводів слід проставляти в розривах ліній, що зображають трубопроводи, на відстані не меншій ніж 50 мм один від одного.

Деталі трубопроводів, арматуру, теплотехнічні та санітарно-технічні пристрої й апаратуру показують умовними позначеннями згідно з чинними стандартами. Для рідин і газів, які не передбачені табл. 5.1, дозволяється використовувати дія позначення інші цифри (починаючи з 28), але обов'язково з необхідними поясненнями введених умовних позначень. Якщо позначення трубопроводів на технологічних кресленнях не стандартизовані, то на схемах автоматизації треба застосовувати умовні позначення, прийняті для технологічних схем.

 Графічне зображення засобів вимірювання та автоматизації

Прилади, засоби автоматизації, електричні пристрої та елементи обчислювальної техніки на схемах автоматизації зображають відповідно до Міждержавного стандарту ГОСТ 21.408-93, ДСТУ Б А.2.4-3-95 та галузевих нормативних документів. За відсутності в стандартах необхідних зображень дозволяється застосовувати нестандартні зображення, які слід виконувати на основі характерних ознак зображуваних пристроїв. Названі стандарти визначають систему побудови графічних (табл. 5.2) та літерних (табл. 5.3-5.5) умовних позначень за функціональними ознаками приладів. Складні прилади, які виконують декілька функцій, можна зображувати декількома дотичними колами.

Таблиця 5.2. Розміри графічних умовних позначень приладів, засобів автоматизації та електроапаратури

Таблиця 5.3. Літерні умовні позначення

Примітка. Літерні позначення, помічені знаком «+», використовуються як резервні, а помічені знаком «-» - не використовуються.

Таблиця 5.4. Додаткові літерні позначення, шо відображають функціональні ознаки приладів

Методика побудови умовних графічних позначень засобів автоматизації

Методика побудови графічних умовних позначень для спрощеного і розгорнутого способів є спільною (рис. 5.1). У верхню частину кола вписують літерні позначення вимірюваної величини та функціональної ознаки приладу. В нижню частину кола вписують позиційне позначення (цифрове чи літерно-цифрове), що служить для нумерації контуру контролю чи регулювання (за спрощеного способу побудови схеми автоматизації) або окремих елементів контуру (за розгорнутого способу).

Послідовність розміщення літерних позначень у верхній частині (зліва направо) має бути таким: позначення основної вимірюваної величини; позначення, що уточнює (у разі потреби) основну вимірювану величину; позначення функціональних ознак приладу. Функціональні ознаки (якщо їх декілька в одному засобі автоматизації) розміщують у послідовності, показаній на рис. 5.1.

Створюючи умовні позначення приладів, слід вказувати не всі функціональні ознаки приладу, а лише використовувані в схемі. Так, позначаючи по-казувальні та самописні прилади (якщо функція «показання», тобто індикації, поточного значення вимірюваної величини не використовується), слід писати TR замість TIR, РR замість РIR і т. ін.

автоматизированная система технологический управление

Рис. 5.1. Приклад побудови умовного позначення технічного засобу автоматизації

В обґрунтованих випадках (наприклад, у позиційних позначеннях, що складаються з великої кількості знаків) для позначення первинних перетворювачів і приладів замість кола можна застосовувати позначення у вигляді еліпса (див. п. п. 1, б та 2, б табл. 5.2).

Приклади побудови умовних позначень відповідно до ГОСТ 21.408-93 і ДСТУ Б А.2.4-3-95 наведено в табл. 5.6. Використовуючи літерні умовні позначенння згідно з ГОСТ 21.408-93 і ДСТУ Б А.2.4-3-95, слід керуватись такими правилами.

Літеру A (див. табл. 5.3) застосовувати для позначення функції «сигналізація» незалежно від того, чи винесено сигнальну апаратуру на якийсь щит, а чи її вмонтовано у сам прилад. У разі потреби додають символи ламп, гудка, дзвінка тощо.

Літеру S застосовувати для позначення контактного пристрою (тільки для вмикання, вимикання, перемикання, блокування). Літерою S не позначають функції регулювання (зокрема позиційного). У разі застосування контактного пристрою для вмикання, вимикання і одночасно для сигналізації в позначенні приладу мають бути обидві літери-Б і А.

Граничнодопустимі значення вимірюваних величин, якими керуються для вмикання, вимикання, блокування чи сигналізації, слід конкретизувати додаванням літер Н і L. Останні наносити поза графічним позначенням, праворуч від нього (див. табл. 5.6, п. п. 26, 28);

3. Для конкретизації вимірюваної величини, що може мати кілька значень, біля зображення приладу (праворуч від нього) слід зазначати назву чи символ вимірюваної величини, наприклад, «напруга» або U, «струм» або І, рН, 0₂ тощо (див. табл. 5.6, п. п. 33-35, 38-^40).

4. У разі потреби біля зображення приладу допускається зазначати вид радіоактивності, наприклад б-, в- чи г-випромінювання (див. табл. 5.6, п. 41).

5. Літеру U можна використовувати для позначення приладу, що вимірює декілька різнорідних величин. Детальне розшифрування вимірюваних величин має бути наведено біля приладу чи на полі креслення (див. табл. 5.6, п. 43).

6. Для позначення величин, не передбачених стандартом, можна використати резервні літери. Часто застосовувані величини слід позначати однією й тією ж резервною літерою. Для одноразового (виняткового) застосування можна використати літеру X. Застосовані резервні літерні позначення мають бути розшифровані на схемі. Не допускається в одній і тій же документації однією резервною літерою позначати різні величини.

7. Для позначення додаткових значень великі літери D, F, Q, Т допускається заміняти на малі d, f, q, t.

8. В окремих випадках, коли позиційне позначення приладу не вміщується в коло його графічного зображення, допускається наносити його поза колом (диві табл. 5.6, п. 52);

Літера Е, як додаткове позначення (див. табл. 5.6), застосовується для позначення чутливих елементів, тобто пристроїв, які виконують первинне перетворення, наприклад

9. первинних термоелектричних перетворювачів (термопар), термоперетворювачів опору (термометрів опору), датчиків пірометрів, звужувальних пристроїв витратомірів, датчиків акустичних рівнемірів тощо.

10. Літера Т означає проміжне перетворення - дистанційне передавання сигналу. її рекомендується застосовувати для позначення приладів з дистанційним передаванням показань, наприклад, безшкальних манометрів (дифманометрів), ротаметрів з дистанційним передаванням сигналів і т. ін.

Літеру К застосовують для позначення приладів, які мають стаьщію керування, тобто перемикач вибору виду керування «автоматичне» <---> «ручне»;

Літеру Y рекомендується застосовувати для позначень перетворювачів сигналів та обчислювальних пристроїв, при цьому для конкретизації функціональної ознаки перетворювачів сигналів та обчислювальних пристроїв біля зображення технічного засобу відповідним символом (див. табл. 5.6, п. п. 46, 47) слід вказати вид перетворення {P/E, Е/Е, A/D тощо) чи обчислювальної операції (див. табл. 5.5).

Такої ж конкретизації потребує й літера Q: вгорі, праворуч від зображення технічного засобу треба вказати, який саме якісний параметр він вимірює, наприклад, рН, якщо це вимірювач рН, 0₂ - якщо це аналізатор концетрації кисню тощо.

Послідовність побудови умовних позначень із застосуванням додаткових літер така: спочатку ставиться літера, якою позначають вимірювану величину, на другому - одна з додаткових літер: Е, Т, К чи Y; наприклад, первинні вимірювальні перетворювачі температури (термоелектричні перетворювачі, термоперетворювачі опору та ін.) позначаються через ТЕ, первинні вимірювальні перетворювачі витрат (звужувальні пристрої, датчики індукційних витратомірів, ротаметрів тощо) - FE; безшкальні витратоміри з дистанційним передаванням - FT і т. д.

У разі застосування позначень з табл. 5.5 написи, що розшифровують вид перетворення чи операції, які виконуються обчислювальним пристроєм, вказувати праворуч від графічного зображення приладу.

В обгрунтованих випадках для уникнення неправильного розуміння схеми допускається замість умовних позначень наводити повну назву перетворюваних сигналів. Таким чином, рекомендується позначати деякі специфічні сигнали, або ті, що рідко використовуються, наприклад, кодовий, ча-соімпульсний, числоімпульсний і под.

У разі побудови позначень комплектів засобів автоматизації перша літера в позначенні кожного приладу, що входить в комплект, є назвою вимірюваної комплектом величини. Наприклад, у комплекті для вимірювання та регулювання температури первинний вимірювальний перетворювач треба позначати через ТЕ, вторинний реєструвальний прилад - 77?, регулювальний блок -ТС і т. д.

У побудові умовних позначень згідно з ГОСТ 21,408-93 та ДСТУ Б А.2.4-3-95 передбачаються такі винятки:

- у всіх пристроях, що виконані як окремі блоки і призначені для ручних операцій, на першому місці в позначенні ставлять літеру Н незалежно від того, до складу якого вимірювального комплекту вони входять, наприклад, перемикачі електричних кіл вимірювання (керування), перемикачі газових (повітряних) ліній позначають через HS, панелі дистанційного керування - НС, кнопки (ключі) для дистанційного керування, ручні задатчики - Н, кнопки (ключі) для дистанційного керування з підсвіткою - НА тощо;