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.

Является схема управления в режимесбора данных . При этом подсоединяется к технологическому процессуспособом, выбранным инженером-технологом.

Подсоединение осуществляетсяпосредством сопряжения с объектом (УСО). Измеря-емые величиныпреобразуются в цифровую форму. Эти величины по соответст-вующим формулампреобразуются в единицы. Например, для вычис-лениятемпературы, замеряемой с помощьютермопары,можетиспользоватьсяформула T = A * U2 + B * U + C ,гдеU–напряжениенавыходетермопары;A, B и C – коэффициенты. Результатывычислений регистрируются устройствами вывода для последующего изучения технологическогопроцесса в различных условиях его прохождения. На основе этого можно построитьили уточнить математическую модель управляемого процесса.

Данный режим неоказывает прямого воздействия натехнологический процесс. Здесь нашел осторожный подход к внедрению методовуправления в АСУТП. Однако данная схема используется как одна из обязательныхподсхем управления в других более сложных схемах управлениятехнологическимипроцессами.

В данной схеме АСУТП работаетв темпе выполнения технологического процесса. Контур управления разомкнут, т.е.выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими технологическими процессами.Управляющие воздействия осуществляются оператором-технологом ,получающимрекомендацииотЭВМ.

Все необходимыеуправляющие воздействия вычисляются ЭВМ всоответствии с моделью технологического процесса, результаты вычисленийпредоставляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее).Оператор управляет процессом, изменяя установки .

Регуляторыявляются средствами поддержания оптимального управления технологическимпроцессом. Оператор выполняет роль следящего и управляющего , усилиякоторого АСУТП непрерывно и безошибочно направляетнаоптимизацию выполнения технологическогопроцесса.
Основнойнедостаток этой схемы управления заключается в присутствиичеловека в цепи управления. При большом числевходных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-заограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этоготипа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет осторожного подхода кновым методам управления.

Режим советчика обеспечивает хорошие возможности дляпроверки новых моделей технологических процессов. АСУТП может отслеживатьвозникновение аварийных ситуаций, так чтооператор имеет возможность уделять больше внимания работе с установками, приэтом АСУТП может следить забольшимчисломаварийныхситуаций,чемоператор.

Супервизорноеуправление.

В этой схеме АСУТП используется в замкнутомконтуре, т.е.установкирегуляторамзадаютсянепосредственносистемой.

1. Управлениеавтоматизированной транспортно-складской . В такой системе ЭВМ выдаетадреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелёров отрабатываетперемещение их в соответствии с этими адресами.
2. Управлениеплавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок для управления режимамиработы электрических печей, а локальная автоматика по командам ЭВМ управляетпереключателями трансформаторов.
3. Станки с числовымпрограммным управлением.

Непосредственное цифровое управление.

В режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) сигналы,используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают из АСУТП,а регуляторы вообще исключаются из системы управления. Регуляторы – этоаналоговые вычислители, которые решают одноуравнение в реальном масштабе времени, например такого вида:

где y может обозначать положениеклапана; k0, k1, k2, k3 – параметры настройки,благодаря которым регулятор можно настроить на работу в различных режимах;X - разность междуизмеряемой величиной и уставкой. Если X не =0, то для выведения процесса на заданный режим требуетсяперемещение управляющего органа.

Если регуляториспользует для своей работы два первых члена уравнения, то он называется .Если используются три первых члена, то регулятор - пропорционально-интегральный ,и если - все члены уравнения, то регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный .

Концепция НЦУпозволяет заменить регуляторы с задаваемой уставкой. Рассчитываются реальныевоздействия, которые в виде соответствующих сигналов передаются непосредственнона управляющие органы. Схема НЦУ показана на рисунке:

Введены обозначения:
УО – управляемый объект
Д – датчик.

Уставкивводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса.Оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторыеизбранные переменные, изменять диапазоны допустимого изменения измеряемыхпеременных, изменять параметры настройки, а также должен иметь доступ куправляющей программе. Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается ввозможности изменения алгоритмов управления путем внесенияизменений в управляющую программу. Основнойнедостаток схемы непосредственного цифрового управления – возможность системы при отказе ЭВМ.

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

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.