Автоматизированные системы управления техническим процессом

На отдельных промышленных объектах находят применение трехпроводные трехфазные системы переменного тока с изолированной нейтралью напряжением 380 и 500 В. В ряде случаев применяется трехфазная система переменного тока напряжением 660 В. На некоторых предприятиях для питания потребителей постоянного тока (электролизные установки и т. д.) имеются источники и сети постоянного тока различных напряжений. В отдельных случаях на промышленных объектах выполняются стационарные двухпроводные сети переменного тока напряжением 42 В для питания переносного освещения и электрифицированного инструмента.

В системах электропитания следует (по возможности) применять напряжения, принятые в распределительных сетях системы электроснабжения автоматизируемого объекта, которые могут быть использованы без дополнительного преобразования.

Системы трехфазного переменного тока 380/220 В с глухозаземленной нейтралью (рис. 1,а), 380 В с изолированной нейтралью (рис.1,б) и постоянного тока 110 и 220 В могут использоваться для питания стационарно установленных приборов, аппаратов и других средств автоматизации переменного и достоянного тока в помещениях всех категорий опасности в отношении поражения людей электрическим током.

Рис. 1

Если для электроснабжения автоматизируемого объекта применен трехфазный переменный ток 660 В, то питание однофазных и трехфазных электроприемников системы электропитания приборов и средств автоматизации должно осуществляться через понижающие однофазные или трехфазные трансформаторы.

Питание схем производственной сигнализации рекомендуется осуществлять на напряжении системы электропитания приборов и средств автоматизации. Как правило, это 220 В переменного или постоянного тока.

Для питания стационарного освещения монтажной стороны шкафных щитов, в том числе и малогабаритных, может применяться напряжение до 220 В. Питание лампочек освещения должно осуществляться от системы электропитания таким образом, чтобы при снятии со щита питающего напряжения они могли оставаться под напряжением.

Питание местного стационарного освещения фасадов щитов, переносного освещения и электрифицированного инструмента напряжением до 42 В должно осуществляться от понижающих трансформаторов с соблюдением требований зануления (заземления).

Требования к источникам питания

В качестве источников питания приборов и средств автоматизации используются цеховые распределительные подстанции, распределительные щиты, питающие сборки системы электроснабжения автоматизируемого объекта, к которым не подключена резкопеременная нагрузка (крупные электродвигатели, электропечи и т. п.).

В отдельных случаях, например при трудности использования силовой сети, допускается для неответственных установок присоединять системы электропитания к осветительной сети (щитам освещения) автоматизируемого объекта, если питание электрического освещения производится от общих с силовой нагрузкой трансформаторов и возможное, хотя бы кратковременное, исчезновение напряжения в сети освещения, а следовательно, и в системе электропитания не влечет за собой нарушения технологического процесса (рис.2).



Рис.2

Источник питания системы должен иметь достаточную мощность и обеспечивать требуемое напряжение у электроприемников. Отклонение напряжения на шинах источника питания не должно превышать значений, при которых обеспечивается нормальная работа наиболее удаленных или наиболее чувствительных к отклонениям напряжения электроприемников в возможных наихудших для системы электроснабжения автоматизируемого объекта нагрузочных режимах.

На зажимах электроприемников систем автоматизации допускаются следующие отклонения напряжения:

а) контрольно-измерительных приборов, регулирующих устройств и т. д. - не более значений, указанных заводами-изготовителями, в стандартах, технических условиях и т. п.; при отсутствии указаний заводов-нзготовителей - + 5 % номинального значения напряжения;

б) электродвигателей исполнительных механизмов и электроприводов задвижек (вентилей) - от -5 до +10% номинального значения напряжения;

в) электроламп схем сигнализации (если для них с целью продления срока службы не предусматривается пониженное напряжение), ламп освещения щитов - от - 2,5 до 5% номинального значения напряжения;

г) аппаратов управления (например, катушек магнитных пускателей, электромагнитных реле и т. п.) - не более значений, указанных заводами-изготовителями; при отсутствии указаний заводов-изготовителей - от -5 до +10% номинального значения напряжения;

д) цепей напряжением 12 и 42 В - до 10%, считая от выводов низшего напряжения понижаюшего трансформатора.

Если для питания электроприемников системы автоматизации используется трехфазная сеть, то при распределении однофазной нагрузки между фазами трехфазной сети допустимая несимметрия токов в фазах не должна превышать 10%.

При этом, как правило, предусматривается резервное питание от второго независимого источника с автоматическим включением резерва.

В технически обоснованных случаях наиболее ответственные функциональные узлы должны иметь стабилизированное автономное питание (например, от аккумуляторных батарей).

Должна предусматриваться требуемая очередность подачи напряжения и отключения устройств и функциональных узлов АСУ ТП.

Выбор схемы электропитания

Выбор схемы электропитания приборов и средств автоматизации определяется главным образом

требуемой бесперебойностью электроснабжения,

территориальным расположением источников питания и электроприемников, сопротивлением нагрузки, удобством и безопасностью эксплуатации.

Оценка и окончательный выбор схемы производится по совокупности всех требований с учетом конкретных условий работы автоматизируемого объекта.

При построении схем электропитания необходимо учитывать, что сосредоточенно установленные (например, на щитах) и отдельно стоящие электроприемники должны, как правило, получать питание от специальных щитов и сборок питания (последние для электроприводов задвижек или вентилей), на которых размещается аппаратура управления и защиты всех присоединений системы электропитания. Щиты и сборки питания должны располагаться с максимальным приближением к питаемым группам электроприемников.

Если число электроприемников ограничено и нецелесообразно предусматривать специальный щит питания, то аппаратура управления и защиты системы электропитания устанавливается на приборных или релейных щитах; для электроприводов задвижек (вентилей) и в этом случае целесообразно предусматривать отдельные сборки питания.

В схемах электропитания систем автоматизации различают два основных звена (рис. 3):

а) питающую сеть (питающие линии) - сеть от источников питания до щитов и сборок питания;

б) распределительную сеть - сеть от щитов и сборок питания до электроприемников; к распределительной сети относятся также цепи всех назначений, связывающие первичные приборы и датчики с вторичными приборами и регулирующими устройствами.

Рис. 3 - Основные звенья схемы электропитания системы автоматизации: /-датчики, первичные приборы и т. п.;// - электродвигатели задвижек; ///-отдельно стоящие приборы

Питающая и распределительная сети систем электропитания приборов и средств автоматизации могут выполняться:

однофазными двухпроводными (с одним фазным и одним нулевым проводами); двухфазными двухпроводными (с двумя фазными проводами);

двухпроводными постоянного тока (рассматриваются только двухпроводные сети постоянного тока без заземления одного из полюсов);

трехфазными трех- и четырех-проводными.

Одно- и двухфазные двухпроводные сети применяются при наличии только однофазных электроприемников, если это допустимо по условию равномерной нагрузки фаз источника питания.

Трехфазные трехпроводные сети применяются :

а) для смешанных электроприемников, трех- и однофазных одинакового напряжения или только трехфазных электроприемников - при питании от системы с изолированной нейтралью;

б) для однофазных электроприемников, когда устройство двухпроводной сети недопустимо по условию равномерной нагрузки фаз источника питания.

Трехфазные четырехпроводные сети применяются :

а) для смешанных электроприемников, трех- и однофазных разных напряжений или только трехфазных - при питании от системы с глухозаземленной нейтралью

б) для однофазных электроприемников, когда устройство двухпроводной сети недопустимо по условию равномерной нагрузки фаз источника питания.

При выборе схем электропитания важное значение имеет правильное определение необходимой степени резервирования, что в большой мере определяет надежность (бесперебойность) питания электроприемников системы электропитания.

Надежность (бесперебойность) электроснабжения электроприемников систем автоматизации должна соответствовать (быть не ниже) надежности электроснабжения автоматизируемого объекта (агрегата, установки, цеха и т. п.) в целом. Это означает, что электроприемники систем автоматизации в отношении надежности питания приравниваются к основным (силовым) электроприемникам автоматизируемого объекта.

Определение категорийности автоматизируемого объекта (агрегата, установки, цеха) в отношении надежности электроснабжения производится на основе анализа технологического процесса данного объекта, когда выполняется проект электроснабжения предприятия (категории электроприемников по надежности электроснабжения устанавливаются

В соответствии с требованиями резервирования и взаимным расположением щитов (сборок) питания системы автоматизации и источников питания схема питающей сети может быть следующей конфигурации:

а) радиальной с одно- или двусторонним питанием (рис. 4);

Рис. 4 - радиальные схемы питающей сети: а -с односторонним питанием; б -с двусторонним питанием; ЩП-щит питания; РП-распределительный пункг

б) радиально-магистральной (смешанной) (рис. 5)

Рис. 5 радиально-магистральная схемы питающей сети

в) магистральной с одно- или двухсторонним питанием от одного источника или двух независимых (рис. 6).

Рис. 6 - магистральные схемы питающей сети: а - с односторонним питанием; б - с двусторонним питанием от одного источника (линия от РП2 отсутствует) и от двух источников (штрихпунктирная линия от РП1 отсутствует)

54. Аппаратура управления и защиты схем электропитания

Аппаратура управления и защиты, устанавливаемая в системе электропитания приборов и средств автоматизации, должна обеспечивать:

включение и отключение электроприемников и участков сетей в нормальном режиме работы, надежное отсоединение электроприемников и линии для ревизий и ремонтных работ;

защиту от всех видов коротких замыканий и от перегрузки в тех случаях, когда она требуется;

Для выполнения указанных требований применяются определенные сочетания аппаратов управления и защиты. Обычно в питающей и распределительных сетях системы электропитания используются:

в питающих линиях - автоматический выключатель, выключатель (пакетный выключатель, ключ управления, рубильник, тумблер) - предохранитель;

в цепях электродвигателей исполнительных механизмов и электроприводов задвижек (вентилей) - автоматический выключатель - магнитный пускатель; выключатель - предохранитель - магнитный пускатель;

в цепях контрольно-измерительных приборов, регулирующих устройств, трансформаторов, выпрямителей и т. д. - выключатель - предохранитель; автоматический выключатель (последний, если он обладает достаточной чувствительностью к токам короткого замыкания и если это оправдано экономически и требованиями удобства эксплуатации);

в питающих цепях схем производственной сигнализации - выключатель - предохранитель; автоматический выключатель;

в цепях стационарного освещения щитов - выключатель - предохранитель.

Особо важную роль выполняют аппараты защиты, так как бесперебойная работа электрических установок невозможно без защитных устройств, своевременно отключающих поврежденные элементы, быстро реагирующих на нарушения нормальных условий работа электрического оборудования и действующих в определенной, заранее установленной последовательности во времени.

К аварийным или ненормальным режимам работы электроустановок систем автоматизации относятся:

многофазные (трех- и двухфазные) и короткие однофазные замыкания на корпус, нулевой провод или на землю в приборах, аппаратах, электроприводах исполнительных механизмов, задвижек и вентилей, проводах, кабелях и т. д.;

короткие замыкания между витками обмоток аппаратуры (витковые замыкания);

тепловые перегрузки электрооборудования и электропроводок из-за прохождения по ним повышенных токов.

Наиболее опасными аварийными режимами являются короткие замыкания. В большинстве случаев они возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции. Токи короткого замыкания иногда достигают значений, в десятки и сотни раз превосходящих значения токов в нормальном режиме, а их тепловое воздействие и динамические усилия, которым подвергаются токоведущие части, могут привести к повреждению всей электроустановки.

Тепловые перегрузки могут возникать при длительном повышении напряжения сети, обрыве одной из фаз, а в электродвигателях исполнительных механизмов и электроприводов задвижек - при заедании или застопоривании механизма. Тепловые перегрузки вызывают в первую очередь ускоренное старение и разрушение изоляции, что приводит в конечном итоге к коротким замыканиям.

Аппаратура защиты может осуществлять один или несколько видов защиты.

Пакетные выключатели, рубильники, тумблеры служат для включения и отключения отдельных электроприемников и участков сетей в нормальном режиме, а также для отсоединения электроприемников и линий при производстве ремонтных работ.

Предохранители предназначены для защиты сетей и отдельных электроприемников от коротких замыканий и перегрузки.

Предохранители характеризуются номинальным напряжением, номинальным током и предельным отключаемым током.

Плавкая вставка перегорает тем быстрее, чем больший ток проходит через нее. Зависимость времени плавления вставки от тока, протекающего через вставку, называется защитной характеристикой плавкой вставки.

Плавкие предохранители имеют разброс в срабатывании. При одном и том же расплавляющем токе время плавления вставки зависит от многих причин: материала, сечения и длины вставки, состояния поверхности вставки и условий ее охлаждения, температуры окружающего воздуха и т. п. Кроме того, с течением времени защитные свойства плавкой вставки ухудшаются из-за ее старения.

Механизмы отключения автоматических выключателей построены на принципе свободного расцепления. Они обеспечивают моментное замыкание и размыкание контактов, не зависящее от скорости движения ручки (кнопки) управления, а также автоматическое отключение автоматического выключателя под действием расцепителей (независимо от положения в данный момент ручных органов управления).

Номинальное напряжение автоматического выключателя соответствует наибольшему номинальному напряжению сети, в которой разрешается применять данный автоматический выключатель.

Номинальный ток автоматического выключателя это наибольший ток, протекание которого через автоматический выключатель допустимо в течение неограниченно длительного времени.

Номинальный ток расцепителя - это наибольший ток, протекание которого допустимо в течение неограниченного времени и который не вызывает срабатывания расцепителя.

Каждый автоматический выключатель имеет определенного вида защитную характеристику - зависимость времени срабатывания от тока, проходящего через расцепитель.

Современные автоматы защиты обеспечивают комплексную защиту потребителей от перегрузок, включая в свой состав электромагнитные и тепловые расцепители.

В зависимости от величины тока срабатывания расцепителя автоматические выключатели подразделяются на несколько групп: B, C и D. Автоматические выключатели группы B имеют ток срабатывания расцепителя, превышающий номинальный ток (Iн) не более чем в 5 раз. Автоматы группы C срабатывают при 5…10 кратном превышении значения номинального тока, а группы D - более 10 Iн.

Наиболее распространенными при монтаже бытовых электросетей являются автоматические выключатели группы C.

В зависимости от количества полюсов автоматические выключатели подразделяются на одно-, двух- и трехполюсные.

• 55. Места установки аппаратов управления и защиты

Аппараты управления и защиты, как правило, устанавливаются во всех линиях и присоединениях питающей и распределительной сетей.

При этом нужно руководствоваться следующими основными требованиями.

В питающей сети аппараты управления и защиты должны устанавливаться в местах присоединения к источнику питания, а также на вводах в щиты и сборки питания приборов и средств автоматизации. Защитные аппараты на вводах в щиты и сборки питания могут не предусматриваться, если аппараты защиты головного участка питающей линии обеспечивают надежную защиту всей линии и все присоединения распределительной сети, питающейся от указанных щитов и сборок, имеют индивидуальную защиту. Указанные требования проиллюстрированы рис. 14 - 18, на которых показаны различные варианты установки аппаратов управления и защиты в питающих сетях системы электропитания.

При магистральной схеме исполнения питающей сети аппараты управления и защиты устанавливаются по мере уменьшения сечений линий на вводе каждого щита и сборки питания. Если вся магистраль выполняется проводами одного сечения, то необходимость установки аппаратов управления и защиты на вводах щитов и сборок питания определяется, помимо требований удобства эксплуатации, требованиями селективности (для аппаратов защиты).

Рис. 14. Установка аппаратов управления и защиты в питающей однофазной двухпроводной сети



Рис. 15. Установка аппаратов управления и защиты в питающей двухфазной двухпроводной сети и двухпроводной сети постоянного тока

Рис. 16. Установка аппаратов управления и защиты в питающей трехфазной трехпроводной сети

Рис. 17. Установка аппаратов управления и защиты в питающей трехфазной четырехпроводной сети



Рис. 18. Схема питания электроприемников через трансформатор: а -- одного электроприемника; б -- нескольких электроприемников, в которых отсутствуют встроенные выключатели и предохранители; в -- нескольких штепсельных розеток

При питании цепей управления группы электродвигателей от постоянного источника питания должны быть предусмотрены блокировочные зависимости, обеспечивающие:

а) отключение цепей управления каждым электродвигателем при срабатывании его аппарата защиты (путем введения в цепь управления электродвигателем блокировочного контакта аппарата защиты либо другим способом);

б) отключение главных цепей электродвигателей во всех случаях исчезновения напряжения и недопустимости самозапуска электродвигателей (при исчезновении и последующем восстановлении напряжения).

• 56. Выбор сечений проводов и жил кабелей

Сечения проводов питающей и распределительной сетей системы электропитания приборов и средств автоматизации выбираются по условиям нагрева электрическим током и механической прочности с последующей проверкой в необходимых случаях по потере напряжения.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) различают

· электрические сети, в которых требуется только защита от коротких замыканий, и

· сети, которые должны быть защищены не только от коротких замыканий, но и от перегрузки.

Питающая и распределительная сети системы электропитания относятся, как правило, к сетям, не требующим защиты от перегрузки, и защищаются только от коротких замыканий (для взрыво- и пожароопасных зон требования более жесткие).

Расчетный ток, по которому производится выбор сечения проводов, должен приниматься как большее значение тока, определяемое двумя условиями:

· нагревом проводников длительным током и

· соответствием выбранному аппарату защиты, т. е. допустимым отношением (кратностью) номинального тока или тока срабатывания защитного аппарата к длительно допустимому току проводов и кабелей.

Для линий, защищаемых только от короткого замыкания, допустимая кратность номинального тока или тока срабатывания защитного аппарата к длительно допустимому току проводов и кабелей должна быть не более:

300% номинального тока плавких вставок предохранителей;

450% тока уставки автоматического выключателя;

100% номинального тока расцепителя автоматического выключателя с нерегулируемой обратно зависимой характеристикой;

125% тока трогания расцепителя автоматического выключателя с регулируемой обратнозависимой от тока характеристикой.

Для взрывоопасных зон (кроме зон классов В-16 и В-1 г), а также для пожароопасных зон в помещениях, в которых питающая и распределительная сети системы электропитания относятся к сетям, защищаемым от перегрузки, допустимые кратности номинальных токов или токов срабатывания защитных аппаратов к длительно допустимым токам проводов и кабелей имеют другие значения.

В заключение, подводя итог сказанному о выборе аппаратов защиты и сечений проводов и кабелей, укажем общий порядок их выбора:

1) определяются расчетные токи линий - длительные и кратковременные (например, при пуске двигателей);

2) по значениям расчетных токов линий проводится выбор защитных аппаратов;

3) по значениям расчетных токов линий и по условию их соответствия выбранным аппаратам защиты производится выбор сечений проводов;

4) проверяется надежность действия защитных аппаратов при коротком замыкании в наиболее удаленной точке сети;

5) проверяется соответствие сечений выбранных проводов и кабелей максимально допустимым сечениям проводов по механической прочности, а в необходимых случаях (например, при длинных линиях) производится проверка сечений проводов по потере напряжения.

57 Электропитание компьютерных сетей

Компьютеры, как и любое электронное оборудование, питающееся от сети переменного тока, подвергаются различным негативным воздействиям со стороны этой питающей сети. Одной из причин, снижающих надёжность работы компьютеров, является ненормированное изменение параметров сети электропитания. Эти изменения параметров сети питания могут быть вызваны как внешними, так и внутренними факторами. К внешним факторам относятся непрогнозируемые изменения нагрузок, порождающие негативные возмущения первичной сети, удары молнии и т.д., а также возможные спецвоздействия. Внутренние факторы - это внутрисистемные помехи.

Сетевые помехи можно разделить на две категории: длительные провалы и выбросы напряжения (низкочастотные возмущения) и импульсные помехи (высокочастотные возмущения).



Рис. 20. Сетевые помехи: а - низкочастотные возмущения; б, в - высокочастотные возмущения; г, д - напряжение питающей сети при аварийных отключениях

Провалы напряжения являются одним из наиболее часто встречающихся типов помех, вызывающих нарушение работы компьютеров (потерю данных или, что ещё хуже, выход из строя отдельных его элементов). Статистически наиболее вероятны для Украины провалы длительностью от 6 до 15 сек (до 50%) и более длительные, от 21 до 30 сек (около 30%), причём глубина наиболее часто встречающихся провалов колеблется от 35% до 100%.

Атмосферные и космические помехи являются следствием естественных процессов, происходящих в природе: грозовых разрядов, солнечной радиации, космических излучений, магнитных бурь и т.п.

Другим видом опасных помех являются высоковольтные импульсы напряжения. К внешним относятся также помехи, образующиеся в результате электростатических разрядов между пользователем и корпусом компьютера или его периферийных устройств.

В процессе работы компьютерной техники возникают внутренние помехи, которые также распространяются по цепям питания.

Наиболее актуальными направлениями в борьбе с высокочастотными помехами в импульсных блоках питания являются:

· защита от помех в самом электронном оборудовании;

· оптимальный выбор компонентов блока питания (интегральных схем, силовых транзисторов, диодов, конденсаторов, трансформаторов) и режимов их работы;

· применение специальных фильтров для снижения помех, схемотехнических решений, снижающих уровень генерируемых помех;

· экранирование блока питания;

· заземление, одноточечное заземление, сигнальная, корпусная земля;

· правильная топология схем блока питания: разделение силовой и управляющей части, грамотное взаимное расположение элементов и узлов.

58. Последствия сбоев в электропитании компьютерных сетей

По данным Bell Labs в США наблюдаются следующие наиболее часто встречающиеся сбои питания.

1. Провалы напряжения - кратковременные понижения напряжения, связанные с резким увеличением нагрузки в сети в связи с включением мощных потребителей, таких, как промышленное оборудование, лифты и т.д. Является наиболее частой неполадкой в электрической сети, встречается в 87 % случаев. 2. Высоковольтные импульсы - кратковременное (на наносекунды или единицы микросекунд) очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии. Составляет 7.4 % всех сбоев питания. 3. Полное отключение напряжения согласно этому исследованию является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции. Встречается в 4.7 % случаев. 4. Слишком большое напряжение - кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей. Встречается в 0.7 % случаев.

Само по себе изменение частоты не представляет существенной опасности для оборудования, оснащенного импульсным блоком питания, но очень низкая частота обычно сопровождается сильными гармоническими искажениями, которые могут отрицательно повлиять на работу не только компьютера, но и большинства источников бесперебойного питания (ИБП).

При возникновении какой-либо проблемы с электропитанием на этаже (например, отключился автоматический выключатель - предохранитель), электрик начинает искать автоматический выключатель, отвечающий за зону, в которой возникла проблема. Ищет он разумеется не по схеме (это долго, да и схемы у него возможно, или скорее всего, нет). Он просто последовательно отключает и тут же включает все автоматы на щитке и смотрит на результат. В момент, когда в нужном помещении появляется свет, он считает свою миссию законченной.

Если нужный автомат окажется последним, то в течение минуты каждая электролампа и каждый компьютер на этаже подвергнутся кратковременному (менее секунды) отключению напряжения. Для освещения ничего страшного не происходит, люди обычно даже не успевают испугаться, оказавшись на мгновение в темноте. Но секундного отключения вполне достаточно для потери данных на компьютерах.

Такой цикл включений и отключений может в некоторых организациях повторяться по несколько раз в день.

При работе импульсных блоков питания в сильно перегруженной сети могут возникать искажения формы синусоидального напряжения. Это может выражаться в срезании вершины синусоиды и появлении гармоник - колебаний кратных частот. Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе другого чувствительного оборудования, например измерительных приборов или видеоаппаратуры.

Основные неполадки питания, представляющие опасность для работы ЛВС в соответствии приведенной классификацией

1. Исчезновение напряжения

2. Провал напряжения

3. Перенапряжение

4. Отклонение напряжения

5. Электромагнитная помеха.

6. Импульс напряжения

7. Отклонения частоты

8. Временное перенапряжение

9. Несинусоидальность напряжения

59 Схемы электропитания компьютерных сетей

Существуют две основные схемы построения системы бесперебойного электропитания: распределенная, централизованная. Возможны комбинации первых двух схем.

Рис.21

Рис. 22

Основные задачи, решаемые при установке ИБП ? UPS

· Защита оборудования на короткое время (5-10 мин), чтобы иметь возможность сохранить компьютерные файлы, отключить оборудование в штатном режиме, а также предотвратить его выход из строя при “жестком” отключении электропитания.

· Обеспечить работоспособность оборудования на длительное время (Ѕ-4 часа) до момента восстановления подачи электроэнергии.

Одна из возможных схем построения высоконадежной системы питания от двух источников с применением ИБП и дизельной электрической установки приведена на рисунке 23.

Рис. 23

60. Заземление (зануление) в сетях питания

При установке промышленного оборудования для предотвращения поражения электрическим током, применяется защитное заземление.

Защитным заземлением называется преднамеренное соединение с землей металлических частей оборудования (обычно рамы, корпуса или защитного кожуха), нормально не находящихся под напряжением. Даже если произойдет повреждение электрической изоляции (и даже, если при этом не сработают защитные предохранители), то напряжение на заземленных частях оборудования будет безопасным, так как сопротивление заземления по стандарту не должно превышать 4 Ома.

При организации локальных компьютерных сетей рекомендуется еще более низкое сопротивление заземления - не более 0.5-1 Ома. Впрочем, в этом случае заземление главным образом служит для уменьшения помех, возникающих при работе различного оборудования.

Для устройства заземления в грунте размещают металлические предметы с развитой поверхностью и надежно соединяют его с шиной заземления.

Ранее для подключения бытовых и офисных приборов не применялось заземление. В быту и офисах использовались двухпроводные розетки, рассчитанные на напряжение до 250 В и ток до 6 А. Один из контактов в этой розетке соединен с линейным проводом трехфазной цепи (или, как говорят электрики с "фазой"), а другой - с нейтралью.

E - длительность воздействия в миллисекундах I - величина тока в миллиамперах

61. Стандарт МЭК 61131

Системное программное обеспечение (СПО) непосредственно контролирует аппаратные средства ПЛК. СПО отвечает за тестирование и индикацию работы памяти, источника питания, модулей ввода-вывода и интерфейсов, таймеров и часов реального времени. Система исполнения кода прикладной программы является составной частью СПО. Система исполнения включает драйверы модулей ввода-вывода, загрузчик кода программ пользователя, интерпретатор команд и отладочный монитор. Код СПО расположен в ПЗУ и может быть изменен только изготовителем ПЛК.

Код прикладной программы размещается в энергонезависимой памяти, чаще всего это электрически перепрограммируемые микросхемы. Изменение кода прикладной программы выполняется пользователем ПЛК при помощи системы программирования и может быть выполнено многократно.

Доступность программирования

Главным требованием к ПЛК всегда была и остается возможность его эксплуатации существующим техническим персоналом и возможность быстрой замены старого оборудования.

Первый вариант стандарта был опубликован в 1982 году. Первоначально стандарт имел номер 1131, с 1997 года МЭК перешел на 5-цифровые обозначения. Теперь правильное наименование международной версии стандарта -- МЭК 61131.

Главная задача ПЛК - это выполнение прикладной программы управления технологическим процессом. Очевидно, что незапрограммированный контроллер - это всего лишь пустая железяка, не приносящая никакой пользы человечеству.

Современный контроллер свободно программируем, т.е. предоставляет разработчику возможность создавать пользовательские программы произвольной структуры без ограничений их функциональности, будь то программа управления пастеризатором на молочном комбинате или управление колонной ректификации на НПЗ. По сути, единственным ограничением здесь может быть объем свободных ресурсов контроллера.

Современные средства разработки чрезвычайно функциональны и предлагают разработчику множество возможностей: 1. Разнообразные программные библиотеки, функциональные блоки, готовые процедуры и шаблоны. Использование предподготовленных компонентов сильно ускоряет процесс разработки программного обеспечения для ПЛК. 2. Инструменты для отладки, тестирования и симуляции прикладной программы. Последние позволяют выполнять программу ПЛК на персональном компьютере без загрузки в реальный контроллер. 3. Инструменты для автоматизированного документирования разработанной программы в соответствие с принятыми стандартами.

Но у программиста есть и более мощный инструмент. Дело в том, что современные средства разработки прикладного ПО для промышленных контроллеров, как правило, поддерживают до шести разных языков программирования.

62. Язык LD

Язык LD (LAD, Ladder) является графическим языком разработки, программа на котором представляет собой аналог релейной схемы. Пример программы на данном языке приведен на рис. 1. По идеи авторов стандарта, такая форма представления программы облегчит переход инженеров из области релейной автоматики на ПЛК. К недостаткам данного языка можно отнести то, что по мере увеличения количества «реле» в схеме она становится сложнее для интерпретации, анализа и откладки. Еще один недостаток языка LD заключается в следующем: язык, построенный по аналогии с релейными схемами, может быть эффективно использован только для описания процессов, имеющих дискретный (двоичный) характер; для обработки «непрерывных» процессов (с множеством аналоговых переменных) такой подход теряет смысл.

Рис. 1. Язык релейных диаграмм LD.

63. Язык FBD

Язык FBD (Functional Block Diagram, Диаграмма Функциональных Блоков) является языком графического программирования, так же, как и LD, использующий аналогию с электрической (электронной) схемой. Программа на языке FBD представляет собой совокупность функциональных блоков (functional flocks, FBs), входа и выхода которых соединены линиями связи (connections). Эти связи, соединяющие выхода одних блоков с входами других, являются по сути дела переменными программы и служат для пересылки данных между блоками. Каждый блок представляет собой математическую операцию (сложение, умножение, триггер, логическое “или” и т.д.) и может иметь, в общем случае, произвольное количество входов и выходов. Начальные значения переменных задаются с помощью специальных блоков - входов или констант, выходные цепи могут быть связаны либо с физическими выходами контроллера, либо с глобальными переменными программы.

Пример фрагмента программы на языке FBD приведен на рис. 2.

Практика показывает, что FBD является наиболее распространенным языком стандарта IEC.

Рис.2. Функциональная схема FBD.

64. Язык SFC

Язык последовательных функциональных схем SFC (Sequential Function Chart), использующийся совместно с другими языками (обычно с ST и IL), является графическим языком, в котором программа описывается в виде схематической последовательности шагов, объединенных переходами. Язык SFC построен по принципу, близкому к концепции конечного автомата, что делает его одним из самых мощных языков программирования стандарта IEC 61131-3.

Наиболее простым и естественным образом на языке SFC описываются технологические процессы, состоящие из последовательно выполняемых шагов, с возможностью описания нескольких параллельно выполняющихся процессов, для чего в языке имеются специальные символы разветвления и слияния потоков (дивергенции и конвергенции, в терминах стандарта IEC 61131-3).

Рис. 3. Язык последовательных функциональных схем SFC.

65. Язык ST

Язык ST (Structured Text, Структурированный Текст) представляет собой язык высокого уровня, имеющий черты языков Pascal и Basic. Данный язык имеет те же недостатки, что и IL, однако они выражены в меньшей степени. Пример программы на языке ST приведен на рис. 4. С помощью ST можно легко реализовывать арифметические и логические операции (в том числе, побитовые), безусловные и условные переходы, циклические вычисления; возможно использование как библиотечных, так и пользовательских функций. Язык также интерпретирует более 16 типов данных.

Язык ST может быть освоен технологом за короткий срок, однако текстовая форма представления программ служит сдерживающим фактором при разработке сложных систем, так как не дает наглядного представления ни о структуре программы, ни о происходящих в ней процессах.

Рис. 4. Язык структурированного текста ST.

66 Язык IL

Язык IL (Instruction List, Список Команд) представляет собой ассемблероподобный язык, достаточно несложный по замыслу авторов стандарта, для его практического применения в задачах промышленной автоматизации пользователем, не имеющим, с одной стороны, профессиональной подготовки в области программирования, с другой стороны, являющимся специалистом в той или иной области производства.

Ввиду своей ненаглядности, IL практически не используется для программирования комплексных алгоритмов автоматизированного управления, но часто применяется для кодирования отдельных функциональных блоков, из которых впоследствии складываются схемы FBD или CFC. При этом IL позволяет достичь высокой оптимальности кода: программные блоки, написанные на IL, имеют высокую скорость исполнения и наименее требовательны к ресурсам контроллера.

низкоуровневым языкам программирования: сложность и высокую трудоемкость программирования, трудность модификации написанных на нем программ, малую степень «видимого» соответствия исходного текста программы и решаемой задачи. Пример программы на языке IL приведен на рис. 5.



Рис. 5. Язык инструкций IL.

67 Язык CFC

Язык CFC (Continuous Flow Chart) - еще один высокоуровневый язык визуального программирования. По сути, CFC - это дальнейшее развития языка FBD. Этот язык был специально создан для проектирования систем управления непрерывными технологическими процессами.

Примеры программ на языках: а)LD б)IL в)ST г)FBD

Пример программы на языке SFC

68 Назначение и типы инструментальных систем

Контроллеры, программирование которых осуществляется со встроенного или выносного пульта, встречаются сегодня достаточно редко. Как правило, это простые специализированные ПЛК, предназначенные для управления освещением по расписанию, регулировки температуры и т. д. Для программирования ПЛК универсального назначения применяются ПК.

Главная задача инструментов комплекса программирования ПЛК состоит в автоматизации работы разработчика прикладной системы. Он должен быть избавлен от рутинной работы и постоянного «изобретения велосипеда». Хорошо организованная среда программирования сама толкает к созданию надежного, читабельного и пригодного для повторного применения кода.

В интегрированных комплексах программирования ПЛК сложился определенный набор возможностей, позволяющий относить их к средствам быстрой разработки. Многие приемы являются общими и для систем программирования компьютеров и, вероятно, покажутся вам знакомыми. Сервисные функции систем программирования не являются требованием стандарта. Но от полноты набора доступных программисту инструментов существенно зависит скорость и качество его работы.

69 Состав инструментальных систем

Каждый из представленных комплексов оснащен полным набором средств быстрой разработки и отладки программ, но имеет и достаточно много фирменных «изюминок». Все комплексы имеют демонстрационные версии, содержащие много полезных примеров. Вы можете также проводить собственные опыты в программировании и проводить тестирование в режиме эмуляции. Естественно, использовать ознакомительные версии при создании коммерческих проектов нельзя.

Детальное использование экранных интерфейсов и меню команд комплексов в книге описываться не будет. Предполагается, что читатель знаком с «прелестями» Windows-интерфейса.

Приемы редактирования программ и способы ввода команд относятся к индивидуальным характеристикам и достаточно подробно изложены во всех без исключения руководствах по применению и оперативных подсказках комплексов, чего, к сожалению, нельзя сказать о смысле и приемах применения самих команд. Поэтому далее мы рассмотрим более подробно инструментарий и наиболее яркие общие характеристики комплексов, позволившие им занять первые позиции на рынке программного обеспечения ПЛК.

70 Функции графического редактора

Графические редакторы еще более тесно связаны с контекстом конкретных языков. Они должны обеспечивать следующие возможности:

автоматическая трассировка соединений компонентов;

автоматическая расстановка компонентов.

автоматическая нумерация цепей;

копирование и перемещение выделенной графической группы компонентов с учетом их индивидуальной специфики (рис. 3.4);

* произвольное масштабирование изображения с целью наи лучшего представления или отдельное окно общего вида. Для анализа больших разветвленных графических диаграмм удобно иметь возможность увидеть всю диаграмму или до статочно релевантную ее часть целиком (см. рис. 3.5).

В режиме исполнения встроенные редакторы отображают «ожившие» тексты и графические диаграммы (рис. 3.6). При этом:

мгновенные значения переменных видны непосредственно в окне редактора и доступны для изменения;

активные цепи выделены жирными линиями и цветом. Для графических диаграмм наглядно отражается последовательность выполнения.

71 Средства управления проектом

Все программные комплексы обязательно содержат средства управления проектом. Эту задачу решает менеджер проекта, в обязанности которого входит:

представление всех элементов проекта и общей его структуры в удобном виде (см. рис. 5.10). Создание, удаление, переименование и копирование компонентов. Автоматический вызов соответствующих редакторов для любой глубины вложения программных компонентов. Настройка ресурсов;

управление процессом трансляции и сборки кода. Настройка опций транслятора;

сравнение и выборочное слияние нескольких проектов или их версий;

управление библиотеками. Здесь существуют две задачи. Первое -- это включение необходимых библиотек в состав проекта, а второе -- это создание и сопровождение новых библиотек;

документирование проекта. Документирование проекта в комплексах МЭК-программирования предусматривает распечатку всех данных проекта, включая:

текстовое описание, дата создания и авторские права;

описание переменных и реализацию всех компонентов проекта;

ресурсы проекта -- конфигурацию ПЛК, описание глобальных переменных, настройки задач, список и состав библиотечных модулей;

таблицу перекрестных ссылок и стек вызовов;

окно трассировки.

Естественно, нельзя ожидать от системы программирования полного комплекта документации в соответствии с требованиями ЕСКД. Под словами «полная документация» в руководстве по применению системы понимается только то, что по данному печатному документу можно полностью и однозначно восстановить проект.

CoDeSys позволяет составить специальные файлы комментариев на разных языках (русский, английский и т. д.). Благодаря этому можно распечатать несколько разноязычных вариантов документации одного и того же проекта без изменения в тексте программ. Кроме того, система предоставляет возможность настройки формата страницы документа, включая колонтитулы с вашим фирменным логотипом.

Средства восстановления проекта. В реальной жизни нельзя исключать ситуацию, что исходные файлы проекта окажутся утраченными. В это время обязательно возникнет необходимость внести поправки в работу готовой программы. Эта задача имеет три решения.

Декомпиляция кода.

Сжатие всех файлов проекта и сохранение в памяти ПЛК.

Правильная организация работы.

Средства обеспечения безопасности. Возможность просмотра и модификации проекта закрывается парольным доступом или аппаратным ключом. Посторонний человек не должен иметь возможности читать, распечатывать и модифицировать проект.

Сквозной (по всем программам проекта, разделам объявлений, конфигурации и др.) контекстный поиск и замена.

Средства тестирования «разумности» проекта. Вспомогательные средства, позволяющие отыскать странные и потенциально опасные моменты в программах.

Средства импорта и экспорта проектов в другие комплексы программирования.

Перечисленные выше средства управления проектами позволяет создавать высококачественные проекты с минимумом затрат времени на это.

72 Текстовые редакторы

Интеграция в единую среду программирования предполагает наличие у текстовых редакторов нескольких существенных свойств:

возможность быстрого ввода стандартных текстовых элементов. Комбинации клавиш быстрого ввода, или контекстно-зависимые меню команд, предлагают мгновенную вставку в текст операторов, функций, функциональных блоков (см. рис. 3.1). Причем речь идет не только о стандартных элементах, но и о созданных программистом в текущем проекте;

возможность быстрого автоматического дополнения ввода (CoDeSys). Например, строка: «INP1 I 3;Вход 1» по окончании ввода преобразуется в соответствии с требованиями МЭК:

«INP1: INT := 3; (* Вход 1 *)»;

автоматическое объявление переменных. Если при вводе текста программы вы используете новую переменную, система автоматически поместит необходимое описание в разделе объявлений. Тип переменной и начальное значение задаются в диалоговом окне. В этом помогают меню, весь ввод обычно выполняется мышью, без помощи клавиатуры;

представление раздела объявлений переменных в виде текста или картотеки таблиц, разделенных и отсортированных по функциональному значению (входные переменные, локальные и т. д.);

проверка синтаксиса и автоматическое форматирование ввода. Редактор автоматически контролирует введенный текст и выделяет цветом ключевые слова, константы и комментарии. В результате текст не только легко читается, но и оказывается синтаксически проверенным еще до трансляции

* автоматическая нумерация строк -- упрощает описание и сопровождение.

Эти возможности в существенной мере способствуют автоматизации процесса подготовки программ и способствуют уменьшению числа ошибок в программах.

73 Системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления

Диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (от Supervisory Control And Data

Концепция SCАDA

l (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации

l в иерархии систем автоматизации занимает промежуточное пространство между АСУТП и системами верхнего уровня АСУП

l предназначены для автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

l в самом общем случае предоставляют: дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI).

74 Этапы создания системы диспетчерского контроля и управления

Процесс создания системы диспетчерского контроля и управления состоит из следующих этапов.

Детализация технических требований на создание системы контроля и управления.

Разработка проектно-сметной документации (в полном или сокращенном объеме).

Сбор исходных данных.

Составление полного перечня переменных.

Комплектация системы.

Разбиение объекта управления на технологические участки; компоновка переменных по участкам и группам.

Заполнение (генерация) базы данных.

«Рисование» статических частей мнемосхем.

Заполнение мнемосхем динамическими элементами.

Составление схемы переходов между мнемосхемами.

Генерация печатных документов.

Верификация базы данных

Разработка эксплуатационной документации.

Тестирование системы в автономном режиме (без УСО).

Монтаж.

Тестирование системы в рабочем режиме (с УСО).

Внедрение, в том числе пусконаладка и обучение персонала. Возможно распараллеливание некоторых видов работ, что обеспечивает существенное сокращение срока создания системы. Конечно, эта последовательность является ориентировочной, и на практике возможна, например, корректировка базы данных на всех этапах выполнения работ, включая внедрение.

75 Функциональные характеристики SCADA-систем

Основными областями применения систем диспетчерского контроля и управления являются:

производство, управление передачей и распределением электроэнергии;

промышленное производство;

водозабор, водоочистка и водораспределение;

добыча, транспортировка и распределение нефти и газа;

управление космическими объектами;

управление на транспорте (все виды транспорта: авиа, метро, железнодорожный, автомобильный, водный);

телекоммуникации;

военная область.

От SCADA-системы требуется выполнение таких функций, как:

сбор данных от контроллеров;

первичная обработка данных;

архивизация данных;

представление динамичных мнемосхем объекта;

представление трендов измеряемых величин;

сообщение о неисправностях и авариях;

печать протоколов и отчетов;

ввод в систему команд операторов;

связь с другими пультами операторов;

решение прикладных задач на базе текущих данных.

К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:

надежность системы (технологическая и функциональная);

безопасность управления;

точность обработки и представления данных;

простота расширения системы.

Функциональные возможности

Перечислим основные возможности и средства:

автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без использования стандартных языков программирования;

средства сбора первичной информации от устройств нижнего уровня;

средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях,

средства архивирования и хранения информации с возможностью ее последующей обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных);

средства обработки первичной (измерительной) информации;

средства визуализации текущей и исторической информации в виде таблиц, графиков, гистограмм, динамизированных мнемосхем, анимационных изображений и т д ;

печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени;

ввод и передача команд и сообщений оператора в ПЛК и другие устройства системы;

решение прикладных программ пользователя и их взаимосвязь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;

информационные связи с серверами и другими рабочими станциями через различные сетевые структуры.

Основу большинства SCADA-пакетов составляют несколько программных компонентов (база данных реального времени, ввода-вывода, предыстории, аварийных ситуаций) и администраторов (доступа, управления, сообщений).

Средства сетевой поддержки

Одной из основных черт современных систем автоматизации является их высокая степень интеграции В любой из них могут быть задействованы объекты управления, исполнительные механизмы, аппаратура, регистрирующая и обрабатывающая информацию, рабочие места операторов, серверы баз данных и т д Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (Arcnet, Ethernet и т. п.) с использованием стандартных протоколов (NETBIOS, TCP/IP и др.), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (Profibus, Can-bus, Lon, Modbus Plus и т. д. ) Обобщенная схема подобной системы приведена на рис 1.2. Этим требованиям в той или иной степени удовлетворяют практически все SCADA-системы, с тем лишь различием, что набор поддерживаемых сетевых интерфейсов разный

...