Изучение и математический анализ АСУ существенно облегчаются, если ее предварительно мысленно расчленить на типовые элементы, выявить физические взаимосвязи между ними и отобразить эти взаимосвязи схематично в какой-либо условной форме.
АСУ может быть разделена на части по различным признакам: назначению частей, алгоритмам преобразования информации, конструктивной обособленности. Соответственно различают следующие структуры и структурные схемы АСУ:
функциональную;
алгоритмическую;
конструктивную.
При этом будем понимать, что:
структура– совокупность связанных между собой частей чего-либо целого;
структурная схема – графическое изображение структуры.
Функциональные и алгоритмические схемы состоят из условных изображений элементов и звеньев (обычно в виде прямоугольников) и различных связей, изображаемых в виде линий со стрелками, показывающих направление передачи воздействий. Каждая линия соответствует обычно одному сигналу или одному воздействию. Около каждой линии указывают физическую величину, характеризующую данное воздействие.
Обычно вначале составляют функциональную схему АСУ, а затем – алгоритмическую. Структурные схемы могут составляться с большей или меньшей степенью детализации. Схемы, на которых показаны лишь главные или укрупненные части АСУ, называются обобщенными (см. рис.1).
Функциональная структурная схема – схема, отражающая функции (целевые назначения) отдельных частей АСУ.
Такими функциями могут быть:
§ получение информации о состоянии объекта управления;
§ преобразование сигналов;
§ сравнение сигналов и т.п.
В качестве частей функциональной структуры (схемы) АСУ рассматриваются функциональныеустройства. Названия устройств указывают на выполнение определенной функции. Например:
§ датчик;
§ усилитель;
§ блок сравнения;
§ управляющий блок;
§ исполнительное устройство и т.п.
Д – датчик – предназначен для получения сигнала, пропорционального определенному
воздействию;
ЭС – элемент сравнения – служит для получения сигнала, пропорционального отклонению управляемой величины x(t) от задающего воздействия x з (t);
КУ – корректирующее устройство – предназначено для улучшения качества управления;
УПБ – усилительно-преобразующий блок – служит для усиления сигнала и придания ему определенной формы;
РО – регулирующий орган – служит для непосредственного воздействия на регулируемую среду (примеры РО: вентиль, задвижка, тиристор и т.п.);
ИУ – исполнительное устройство – предназначено для приведения в действие регулирующего органа (примеры ИУ: электродвигатель, электромагнит и т.п.).
Алгоритмическая схема – схема, представляющая собой совокупность взаимосвязанных алгоритмических звеньев и характеризующая алгоритмы преобразования информации в АСУ.
При этом, алгоритмическое звено - часть алгоритмической структуры АСУ, соответствующая определенному математическому или логическому алгоритму преобразования сигнала. Если алгоритмическое звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию, то его называют элементарным алгоритмическим звеном . На схемах алгоритмические звенья изображают прямоугольниками, внутри которых записывают соответствующие операторы преобразования сигналов. Иногда вместо операторов в формульном виде приводят графики зависимости выходной величины от входной или графики переходных функций.
Различают следующие виды алгоритмических звеньев:
§ статическое;
§ динамическое;
§ арифметическое;
§ логическое.
Статическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной мгновенно (без инерции).
Динамическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени.
Арифметическое звено – звено, осуществляющее одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление. Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором.
Логическое звено – звено, выполняющее какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), логическое сложение («ИЛИ»), логическое отрицание («НЕ») и т.д.Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.
3. Моделирование в ТАУ
Цель любого управления – изменить состояние объекта нужным образом (в соответствии с заданием). Теория автоматического регулирования должна ответить на вопрос: «как построить регулятор, который может управлять данным объектом так, чтобы достичь цели?» Для этого разработчику необходимо знать, как система управления будет реагировать на разные воздействия, то есть нужна модель системы : объекта, привода, датчиков, каналов связи, возмущений, шумов.
Модель – это объект, который мы используем для изучения другого объекта (оригинала ).
Модель и оригинал должны быть в чем-то похожи, чтобы выводы, сделанные при изучении модели, можно было бы (с некоторой вероятностью) перенести на оригинал. Нас будут интересовать в первую очередь математические модели , выраженные в виде формул. Кроме того, в науке используются также описательные (словесные), графические, табличные и другие модели.
Как строятся модели?
Во-первых, математические модели могут быть получены теоретически из законов физики (законы сохранения массы, энергии, импульса). Эти модели описывают внутренние связи в объекте и, как правило, наиболее точны.
Рассмотрим RLC- цепочку, то есть последовательное соединение резистора с сопротивлением R (в омах ), катушки индуктивности с индуктивностью L и конденсатора с емкостью C . Она может быть описана с помощью двух уравнений, которые и определяют математическую модель цепи:
Второй способ – построение модели в результате наблюдения за объектом при различных входных сигналах. Объект рассматривается как «черный ящик», то есть, его внутреннее устройство неизвестно. Мы смотрим, как он реагирует на входные сигналы, и стараемся подстроить модель так, чтобы выходы модели и объекта совпадали как можно точнее при разнообразных входах.
На практике часто используется смешанный способ: структура модели (вид уравнения, связывающего вход и выход) определяется из теории, а коэффициенты находят опытным путем. Например, общий вид уравнений движения корабля хорошо известен, однако в этих уравнениях есть коэффициенты, которые зависят от многих факторов (формы корпуса, шероховатости поверхности и т.п.), так что их крайне сложно (или невозможно) найти теоретически. В этом случае для определения неизвестных коэффициентов строят масштабные модели и испытывают их в бассейнах по специальным методикам. В авиастроении для тех же целей используют аэродинамические трубы.
Для любого объекта управления можно построить множество различных моделей, которые будут учитывать (или не учитывать) те или иные факторы. Обычно на первом этапе стараются описать объект как можно более подробно, составить детальную модель. Однако при этом будет трудно теоретически рассчитать закон управления, который отвечает заданным требованиям к системе. Даже если мы сможем его рассчитать, он может оказаться слишком сложным для реализации или очень дорогим.
С другой стороны, можно упростить модель объекта, отбросив некоторые «детали», которые кажутся разработчику маловажными. Для упрощенной модели закон управления также получается проще, и с его помощью часто можно добиться желаемого результата. Однако в этом случае нет гарантии, что он будет так же хорошо управлять полной моделью (и реальным объектом). Обычно используется компромиссный вариант. В этом случае, наоборот, начинают с простых моделей, стараясь спроектировать регулятор так, чтобы он «подходил» и для сложной модели. Это свойство называют робастностью (грубостью ) регулятора (или системы), оно означает нечувствительность к ошибкам моделирования. Затем проверяют работу построенного закона управления на полной модели или на реальном объекте. Если получен отрицательный результат (простой регулятор «не работает»), усложняют модель, вводя в нее дополнительные подробности. И все начинается сначала.
В общем виде структурная схема одноконтурной системы автоматического управления представлена на рисунке 1.1. Система автоматического управления состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом. Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и схемой управления система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующий его выходными параметрами и характеристиками.
Всякий технологический процесс характеризуется определенными физическими величинами (параметрами). Для рационального хода технологического процесса некоторые его параметры требуется поддерживать постоянными, а некоторые изменять по определенному закону. При работе объекта, управляемого системой автоматизации, в основном ставится задача поддержания рациональных условий протекания технологического процесса.
Рассмотрим основные принципы построения структур локальных автоматических систем регулирования. При автоматическом регулировании решаются, как правило, задачи трех типов.
К первому типу задач относится поддержание на заданном уровне одного или нескольких технологических параметров. Автоматические системы регулирования, решающие задачи такого типа, называют системами стабилизации. Примерами систем стабилизации могут служить системы регулирования температуры и влажности воздуха в установках кондиционирования воздуха, давления и температуры перегретого пара в котлоагрегатах, числа оборотов в паровых и газовых турбинах, электродвигателях и т.п..
Ко второму типу задач относится поддержание соответствия между двумя зависимыми или одной зависимой и другими независимыми величинами. Системы, регулирующие соотношения, получили название следящих автоматических систем, например автоматические системы регулирования соотношения «топливо - воздух» в процессе сжигания топлива или соотношения «расход пара – расход воды» при питании котлов водой и др.
К третьему типу задач относится изменение регулируемой величины во времени по определенному закону. Системы, решающие этот тип задач, называют системами программного регулирования. Характерным примером такого типа систем является система управления температурным режимом при термической обработке металла.
В последние годы широко применяют экстремальные (поисковые) автоматические системы, обеспечивающие максимальный положительный эффект функционирования технологического объекта при минимальных затратах сырья, энергии и т.п.
Совокупность технических средств, с помощью которых одну или несколько регулируемых величин без участия человека-оператора приводят в соответствие с их постоянными или изменяющимися по определенному закону заданными значениями путем выработки воздействия на регулируемые величины в результате сравнения их действительных значений с заданными, называют автоматической системой регулирования (АСР) или автоматической системой управления. Из определения следует, что в общем случае в состав простейшей АСР должны входить следующие элементы:
объект управления (ОУ), характеризующийся регулируемой величиной х n . x(t);
измерительное устройство (ИУ), измеряющее регулируемую величину и преобразующее ее в форму, удобную для дальнейшего преобразования либо для дистанционной передачи;
задающее устройство (ЗУ), в котором устанавливается сигнал уставки, определяющий заданное значение или закон изменения регулируемой величины;
сравнивающее устройство (СУ), в котором действительное значение регулируемой величины х сравнивается предписанным значением g(t) и,
выявляется отклонение (g(t)- x(t));
регулирующее устройство (РУ), вырабатывающее при поступлении на его вход отклонения (ε) регулирующее воздействие, которое необходимо подать на объект регулирования, чтобы устранить имеющееся отклонение регулируемой величины х от предписанного значения g(t);
исполнительный механизм (ИМ). На выходе РУ регулирующее воздействие имеет небольшую мощность и, выдается в форме, не пригодной в общем случае для непосредственного воздействия на объект регулирования. Требуется либо усиление регулирующего воздействия, либо преобразования в удобную форму х р. Для этого применяют специальные исполнительные механизмы, являющиеся исполнительными выходными устройствами регулирующего элемента;
регулирующий орган (РО). Исполнительные механизмы не могут непосредственно воздействовать на регулируемую величину. Поэтому объекты регулирования снабжают специальными регулирующими органами РО, через которые ИМ воздействует на регулируемую величину;
линии связи, через которые сигналы передаются от элемента к элементу в автоматической системе.
В качестве примера рассмотрим укрупненную структурную схему автоматического управления (рисунок 1.1). На схеме выходные параметры -результат работы управляемого объекта, обозначены х 1 , х 2 , ………х n . Кроме этих основных параметров, работа объектов автоматизации характеризуется рядом вспомогательными параметрами (у 1 , у 2 ,…….у n), которые должны контролироваться и регулироваться, например, поддерживаться постоянными.
Рисунок 1.1. Структурная схема автоматического управления
В процессе работы на объект управления поступают возмущающие воздействия f1 …. fn, вызывающие отклонения параметров х1…….хn от их рациональных значений. Информация о текущих значениях х тек и у тек поступает в систему управления и сравнивается с их предписанными значениями (уставками) g1…… gn, в результате чего система управления оказывает управляющие воздействия Е1…..Еn на объект, направленные на компенсацию отклонений текущих выходных параметров от заданных значений.
По структуре системы автоматического управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрализованными и многоуровневыми. При этом одноуровневыми системами управления называют системы, в которых управление объектом осуществляется из одного пункта управления или из нескольких самостоятельных. Одноуровневые системы, в которых управление осуществляется из одного пункта управления, называют централизованными. Одноуровневые системы, в которых отдельные части сложного объекта управляются из самостоятельных пунктов управления, называют децентрализованными.
2.2 Функционально – технологические схемы автоматического управления
Функционально-технологическая схема – основной технический документ, определяющий функционально-блочную структуру приборов узлов и элементов системы автоматического управления, регулирования технологического процесса (операций) и контроля его параметров, а также оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации. Также схемы часто называют просто схемами автоматизации. Состав и правила выполнения диктуются требованиями стандартов (см. гл.1).
Функционально-технологическую схему автоматизации выполняют на одном чертеже, на котором условными обозначениями изображены технологическое оборудование, транспортные линии и трубопроводы, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации с указанием связей между ними. Вспомогательные устройства (источники питания, реле, автоматы, выключатели, предохранители и т.п.) на схемах не показывают.
Функциональные схемы автоматизации связаны с технологией производства и технологическим оборудованием, поэтому на схеме показывают размещение технологического оборудования упрощенно, без соблюдения масштаба, но с учетом действительной конфигурации.
Кроме технологического оборудования на функциональных схемах автоматизации в соответствии со стандартами упрощенно (двухлинейное) и условно (однолинейное) изображают транспортные линии различного назначения.
Как построение так и изучение схем технической документации надо вести в определенной последовательности.
Параметры технологического процесса, которые подлежат автоматическому контролю и регулированию;
Функциональную структуру управления;
Контуры регулирования;
Наличие защиты и аварийной сигнализации и принятую блокировку механизмов;
Организацию пунктов контроля и управления;
Технические средства автоматизации, с помощью которых решаются функции контроля, сигнализации, автоматического регулирования и управления.
Для этого, необходимо знать принципы построения систем автоматического управления технологического контроля и условные изображения технологического оборудования, трубопроводов, приборов и средств автоматизации, функциональных связей между отдельными приборами и средствами автоматизации и иметь представление о характере технологического процесса и взаимодействии отдельных установок и агрегатов технологического оборудования.
На функциональной схеме линии коммуникации и трубопроводы чаще показывают в однолинейном изображении. Обозначение транспортируемой среды может быть как цифровым, так и буквенно-цифровым. (Например: 1.1 или В1). Первая цифра или буква указывает вид транспортируемой среды, а последующая цифра – ее назначение. Цифровые или буквенно-цифровые обозначения представляют на полках линий-выносок или над транспортной линией (трубопровода), а в необходимых случаях – в разрывах транспортной линий (при этом принятые обозначения поясняют на чертежах или в текстовых документах (см.таблицу 1.1.). На технологических объектах показывают ту регулирующую и запорную арматуру, технологические аппараты, которые непосредственно участвуют в контроле и управлении процессом, а также отборные (датчики), запорные и регулирующие органы, необходимые для определения относительного расположения мест отбора (мест установки датчиков), также измерения или контроля параметров (см. табл.1.2).
Комплектные устройства (машины централизованного контроля, управляющие машины, полукомплекты телемеханики и т.п.) обозначают прямоугольником произвольных размеров с указанием внутри прямоугольника типа устройства (по документации завода - изготовителя).
В отдельных случаях некоторые элементы технологического оборудования также изображают на схемах в виде прямоугольников с указанием наименования этих элементов. При этом около датчиков, отборных, приемных и других, подобных по назначению устройств указывают наименование того технологического оборудования, к которому они относятся.
Таблица 1.1. Обозначение транспортных линий трубопроводов по ГОСТ 14.202 – 69
| Содержимое транспортных линий (трубопроводов) | Условное Цифровое и буквенное обозначение | Обозначение в цвете |
| Жидкость или газ (общее) | - | Красный, желтый |
| Вода Пар Воздух Кислород | - 1.1 - 1.0 - - 2.1 - 2.0 - - 3.1 - 3.6 - - 3 - 7 - | Зеленый Розовый Голубой Синий |
| Инертные газы | - 5.1-5.0 - | Фиолетовый |
| Аммиак Кислота (окислитель) Щелочь Масло Жидкое горючее | - 11 - 11 - - 3 - 7 - - 7.1-7.0 - -8.4 – 14 – - 8.6 - | Серый Оливковый Серо – коричневый Коричневый Желтый |
| Горючие и взрывоопасные газы | -16 – 16 - | Оранжевый |
| Водопровод | ВО – В9 | - |
| Противопожарный трубопровод | В2 | Светло - серый |
| Канализация | КО – К12 | - |
| Теплопровод | ТО – Т8 | - |
Таблица 1.2. Условные обозначения технологической арматуры
| Наименование | Обозначение по ГОСТ 14.202 - 69 |
| Вентиль запорный проходной (задвижка) |  |
| Вентиль с электрическим приводом |  |
| Вентиль трехходовой |  |
| Клапан предохранительный |  |
| Затвор поворотный (заслонка, шибер) |  |
| Привод исполнительный мембранный |  |
| Таблица 1.3. Выходные электрические коммутирующие элементы | |
| Наименование | Обозначение по ГОСТ 2.755 - 87 |
| Контакт для коммутации сильноточной цепи (контакт контактора) |  |
| Контакт замыкающий |  |
| Контакт размыкающий |  |
Для облегчения чтения схем на трубопроводах и других транспортных линиях проставляют стрелки, указывающие направление движения вещества.
В функционально-технологической схеме, а также у изображения трубопровода, по которому вещество уходит из данной системы, делается соответствующая надпись, например: «Из цеха абсорбции», «От насосов», «В схему полимеризации».
Рисунок 1.2. Изображение датчиков и отборных устройств (фрагмент)
Условные графические обозначения средств автоматизации приведены в таблицах 1.2., 1.3., 1.4.. Условные графические обозначения электроаппаратуры, применяемые в функциональных схемах автоматизации, следует изображать в соответствии со стандартами (табл. 1.3.). При отсутствии стандартных условных обозначений каких – либо автоматических устройств следует принять свои обозначения и пояснить их надписью на схеме. Толщина линий этих обозначений должна быть 0,5 – 0,6 мм, кроме горизонтальной разделительной линии в условном изображении прибора, устанавливаемого на щите, толщина, которой 0,2 – 0,3 мм.
Отборное устройство для всех постоянно подключенных приборов не имеет специального обозначения, а представляет собой тонкую сплошную линию, соединяющую технологический трубопровод или аппарат с прибором (рис. 1.2. приборы 2 и 3а). При необходимости указания точного места расположения отборного устройства или точки измерения (внутри графического обозначения технологического аппарата) в конце жирно изображают окружность диаметром 2 мм (рис. 1.2 приборы 1 и 4а).
Таблица 2.4. Условные графические обозначения средств автоматизации и приборов
| Наименование | Условное обозначение по ГОСТ 21.404 - 85 |
| Первичный измерительный преобразователь (датчик) или прибор, устанавливаемый по месту (на технологической линии, аппарате, стене, полу, колонне, металлоконструкции). Базовое Допускаемое | |
| Прибор, устанавливаемый на щите, пульте Базовое Допускаемое | |
| Отборное устройство без постоянного подключения прибора | |
| Исполнительный механизм | |
| Выключатель путевой | |
| Звонок электрический, сирена, гудок |  |
| Электронагреватель: а) сопротивления, в) индукционный |  |
| Прибор регистрирующий | |
| Лампа накаливания, газоразрядная (сигнальная) | |
| Машина электрическая трехфазная (М – двигатель, G - генератор) |  |
| Машина электрическая постоянного тока (двигатель М, генератор G) |  |
Для получения полного (свободно читаемого) обозначения прибора или другого средства автоматизации в его условно-графическое изображение в виде круга или овала вписывают буквенное условное обозначение, которое и определяет назначение, выполняемые функции, характеристики и параметры работы. При этом месторасположение буквы определяет ее значение. Таким образом, буквы, приведенные в таблице 1.5 – это основные параметры и функции, а буквы, приведенные в таблице 1.6 - уточняют функцию, параметр.
Таблица 1.5. Обозначение основных измеряемых параметров в схемах автоматизации
| Измеряемый параметр | Обозначение |
| Плотность | D |
| Любая электрическая величина. Для конкретизации измеряемой электрической величины справа от условного графического изображения прибора необходимо дать ее наименование, например, напряжение, сила тока, мощность и т.п. | E U, I, P |
| Расход | F |
| Размер, положение, перемещение | G |
| Время, временная программа | K |
| Уровень | L |
| Влажность | M |
| Давление, вакуум | P |
| Состав, концентрация и т.п. | Q |
| Скорость, частота | S |
| Температура | T |
| Вязкость | V |
| Масса | W |
| Несколько разнородных измеряемых величин | U |
Для обозначения ручного управления используют букву H. Для обозначения величин, не предусмотренных стандартом, могут быть использованы резервные буквы: A, B, C, I, N, O, Y, Z (буква X - не рекомендуется). Использованные резервные буквы должны быть расшифрованы надписью на свободном поле схемы.
Ниже приведены обозначения уточняющих значений измеряемых величин.
Таблица 1.6. Дополнительные буквенные обозначения
Букву, служащую для уточнения измеряемой величины, ставят после буквы, обозначающей измеряемую величину, например P,D, - разность (перепад) давлений.
Функции, выполняемые приборами по отображению информации, обозначают латинскими буквами (см. таблицу 2.7).
Таблица 1.7. Буквенные обозначение функции
Дополнительно могут быть использованы обозначения буквами E, G, V.
Все перечисленные буквенные обозначения проставляют в верхней части окружности, обозначающей прибор (устройство).
Если для обозначения одного прибора используется несколько букв, то порядок их расположения после первой, обозначающей измеряемую величину, должен быть, например: TIR – прибор измерения и регистрации температуры, PR – прибор для регистрации давления.
При обозначении устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных операции, на первом месте ставят букву H.
Для примера на рис. 1.2 приведена схема автоматизации с использованием регистрирующих приборов для температуры и перепада давлений, где для формирования условного обозначения прибора (комплекта), в верхней части окружности указывают функциональное назначение, а в нижней части окружности располагают позиционное обозначение его (буквенно – цифровое или цифровое – 1, 2, 4а, 4б, 3а, 3б). Таким образом, все элементы одного комплекта, т.е. одной функциональной группы приборов (первичный, промежуточный и передающий измерительные преобразователи, измерительный прибор, регулирующий прибор, исполнительный механизм, регулирующий орган), обозначают одной и той же цифрой. При этом цифру 1 присваивают первому (слева) комплекту, цифру 2 - второму и т.д.
Чтобы различить элементы одного комплекта, рядом с цифрой помещают буквенный индекс (буквы З и О, начертание которых похоже на начертание цифр, применять не рекомендуется): у первичного преобразователя (чувствительного элемента) – индекс «а», у передающего преобразователя – «б», у измерительного прибора – «в», и т.д. Таким образом, для одного комплекта полное обозначение первичного измерительного преобразователя будет 1а, передающего измерительного преобразователя 1б, измерительного (вторичного) прибора 1в, и т.д. при этом высота цифры равна 3,5 мм, высота буквы 2,5 мм.
Для общего ознакомления с системой предназначена структурная схема (рис. 6.2). Структурная схема - это схема, определяющая основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи .
Структура - это совокупность частей автоматизированной системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействия между ними. В общем случае любая система может быть представлена следующими структурами:
- ? конструктивной - когда каждая часть системы представляет собой самостоятельное конструктивное целое;
- ? функциональной - когда каждая часть системы предназначена для выполнения определенной функции (полные сведения о функциональной структуре с указанием контуров регулирования даются на схеме автоматизации);
Рис. 6.2.
? алгоритмической - когда каждая часть системы предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования входной величины, являющегося частью алгоритма функционирования.
Надо отметить, что для простых объектов автоматизации структурные схемы могут не приводиться.
Требования к данным схемам устанавливает РТМ 252.40 «Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Структурные схемы управления и контроля». Согласно этому документу конструктивные структурные схемы содержат: технологические подразделения объекта автоматизации; пункты
контроля и управления, в том числе не входящие в состав разрабатываемого проекта, но имеющие связь с проектируемой системой; технический персонал и службы, обеспечивающие оперативное управление и нормальное функционирование технологического объекта; основные функции и технические средства, обеспечивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управления; взаимосвязи между частями объекта автоматизации.
Элементы структурной схемы изображают в виде прямоугольников. Отдельные функциональные службы и должностные лица допускается изображать кружком. Внутри прямоугольников раскрывается структура данного участка. Функции автоматизированной системы управления технологическим процессом указываются условными обозначениями, расшифровка которых дается в таблице над основной надписью по ширине надписи. Взаимосвязь между элементами структурной схемы изображают сплошными линиями, слияния и разветвления - линиями с изломом. Толщина линий следующая: условных изображений - 0,5 мм, линий связи - 1 мм, остальных - 0,2...0,3 мм. Размеры элементов структурных схем не регламентируются и выбираются по усмотрению.
В примере (рис. 6.2) приведен фрагмент выполнения конструктивной схемы управления и контроля станции водоочистки. В нижней части раскрыты технологические подразделения объекта автоматизации; в прямоугольниках средней части - основные функции и технические средства пунктов местного управления агрегатами; в верхней части - функции и технические средства пункта централизованного управления станцией. Поскольку схема занимает несколько листов, обозначены переходы линий связи па последующие листы и показан обрыв прямоугольника, раскрывающего структуру объекта автоматизации.
На линиях связи между отдельными элементами системы управления может быть указано направление передаваемой информации или управляющих воздействий; при необходимости линии связи могут быть помечены буквенными обозначениями вида связи, па- пример: К - контроль, С - сигнализация, ДУ - дистанционное управление, АР - автоматическое регулирование, ДС - диспетчерская связь, ПГС - производственная телефонная (громкоговорящая) связь и т.п.
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.
- Управлениеавтоматизированной транспортно-складской . В такой системе ЭВМ выдаетадреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелёров отрабатываетперемещение их в соответствии с этими адресами.
- Управлениеплавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок для управления режимамиработы электрических печей, а локальная автоматика по командам ЭВМ управляетпереключателями трансформаторов.
- 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.
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.
