Системы управления современными химико-технологическими процессами. Средства автоматизации и управления.

Часть 1. Основные понятия. Системы управления современными химико-технологическими процессами характеризуются большим количеством технологических параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону. Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, параметрами технологического процесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение и т.д. Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром. Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением. Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора называется ее измеренным значением. Пример 1. Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа. Рис. 1.1 Требуется вручную поддерживать температуру в сушильном шкафу на уровне Тзад. Человек-оператор в зависимости от показаний ртутного термометра РТ включает или выключает нагревательный элемент Н с помощью рубильника Р.  На основе данного примера можно ввести определения: Объект управления (объект регулирования, ОУ) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями. Управление – формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы ОУ. Регулирование – частный вид управления, когда задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ. Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека. Входное воздействие (Х) – воздействие, подаваемое на вход системы или устройства. Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства. Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему. Структурная схема системы регулирования к примеру 1 изображена на рис. 1.2. Пример 2. Схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа. В схеме используется ртутный термометр с контактами РТК. При повышении температуры до заданной контакты замыкаются столбиком ртути, катушка релейного элемента РЭ возбуждается и цепь нагревателя Н размыкается контактом РЭ. При понижении температуры контакты термометра размыкаются, реле обесточивается, возобновляя подачу энергии на объект (см. рис. 1.3).  Рис. 1.3 Пример 3. Схема АСР температуры с измерительным мостом. При температуре объекта, равной заданной, измерительный мост М (см. рис. 1.4) уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ сигнал не поступает и система находится в равновесии. При отклонении температуры изменяется сопротивление терморезистора RТ и равновесие моста нарушается. На входе ЭУ появляется напряжение, фаза которого зависит от знака отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное в ЭУ, поступает на двигатель Д, который перемещает движок автотрансформатора АТ в соответствующую сторону. При достижении температуры, равной заданной, мост сбалансируется и двигатель отключится. Рис. 1.4 Величина заданного значения температуры устанавливается с помощью резистора Rзад.  Исходя из описанных примеров, можно определить типовую структурную схему одноконтурной АСР (см. рис. 1.5). Принятые обозначения: x - задающее воздействие (задание), e = х - у - ошибка регулирования, u - управляющее воздействие, f - возмущающее воздействие (возмущение). Рис. 1.5 Определения: Задающее воздействие (то же, что входное воздействие Х) - воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины). Управляющее воздействие (u) - воздействие управляющего устройства на объект управления. Управляющее устройство (УУ) - устройство, осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы. Возмущающее воздействие (f) - воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной. Ошибка управления (е = х - у) - разность между предписанным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины. Регулятор (Р) - комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону. Автоматическая система регулирования (АСР) - автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u) вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значением х. Дополнительная связь в структурной схеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС). Обратная связь может быть отрицательной или положительной. 1.2. Классификация АСР. 1. По назначению (по характеру изменения задания): • стабилизирующая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const); • программная АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x  изменяется программно); • следящая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестной величины на входе АСР (x = var). 2. По количеству контуров: • одноконтурные - содержащие один контур, • многоконтурные - содержащие несколько контуров. 3. По числу регулируемых величин: • одномерные - системы с 1 регулируемой величиной, • многомерные - системы с несколькими регулируемыми величинами. Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы: а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать только через общий для них объект управления; б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования. 4. По функциональному назначению: АСР температуры, давления, расхода, уровня, напряжения и т.д. 5. По характеру используемых для управления сигналов: • непрерывные, • дискретные (релейные, импульсные, цифровые). 6. По характеру математических соотношений: • линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции; • нелинейные. Принцип суперпозиции (наложения): Если на вход объекта подается несколько входных воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий равна сумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности: (х1 + х2) = (х1) + (х2), где  - линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т.д.). 7. По виду используемой для регулирования энергии: • пневматические, • гидравлические, • электрические, • механические и др. 8. По принципу регулирования: • по отклонению: Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи - регулирования по отклонению (см. рис. 1.7). Элемент называется сумматором. Его выходной сигнал равен сумме входных сигналов. Зачерненный сектор говорит о том, что данный входной сигнал надо брать с противоположным знаком. • по возмущению. Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рис. 1.8). На схеме обозначен К - усилитель с коэффициентом усиления К. • комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР. Данный способ (см. рис. 1.9) достигает высокого качества управления, однако его применение ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда можно измерить. 1.3. Классификация элементов автоматических систем. 1. По функциональному назначению: • измерительные, • усилительно-преобразовательные, • исполнительные, • корректирующие. 2. По виду энергии, используемой для работы: • электрические, • гидравлические, • пневматические, • механические, • комбинированные. 3. По наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии: • активные (с источником энергии), • пассивные (без источника). 4. По характеру математических соотношений: • линейные • нелинейные. 5. По поведению в статическом режиме: • статические, у которых имеется однозначная зависимость между входным и выходным воздействиями (состояние статики). Примером является любой тепловой объект. • астатические - у которых эта зависимость отсутствует. Пример: Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного напряжения. При подаче напряжения угл поворота будет постоянно возрастать, поэтому однозначной зависимости у него нет. Часть 2. Средства автоматизации и управления. 1. Измерения технологических параметров. 1.1. Государственная система приборов (ГСП). ГСП объединяет в себе все средства контроля и регулирования технологических процессов. Характерной особенностью ГСП является: 1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устройств; 2) унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания. Содержит три ветви: 1) гидравлическую, 2) пневматическую, 3) электрическую. Блочно-модульный принцип характеризуется наличием отдельных модулей или блоков, выполняющих достаточно простую функцию. Этот принцип позволяет уменьшить номенклатуру средств автоматизации, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость, позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости. Унифицированные сигналы: 1) Пневматические - сигналы давления сжатого воздуха диапазон изменения сигнала: 0,2 - 1 или 0,02 - 0,1 МПа; сигнал питания: 1,4 ; расстояние передачи сигнала: до 300 м. 2) Электрические сигналы имеют много диапазонов, которые можно разделить на две группы: а) токовые (сигналы постоянного тока), например: 0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА и др.; б) сигналы напряжения постоянного тока, например: 0 - 1 В, 0 - 10 В и др. Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый параметр в какой-либо унифицированный сигнал. Если же датчик выдает неунифицированный сигнал, то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий преобразователь. 1.2. Точность преобразования информации. Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми, прямым измерениям. Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме. Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний. Показания средства измерений – измерение величины, определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. Градуировочная характеристика средства измерений – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы. Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечны и начальным значениями шкалы. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Предел измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Любые измерения сопровождаются погрешностями: 1) случайные погрешности - имеют случайную природу и причина их неизвестна; 2) промахи - вызваны неправильными отсчетами по прибору; 3) систематические - обусловлены несовершенством методов определения, конструкции прибора. Виды погрешностей: 1) абсолютные: Х = Х - Х0, где Х - измеренное значение параметра, Х0 - истинное значение; Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. 2) относительные: (выраженные в %-ах); Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может быть выражена в процентах. 3) приведенные: , где Хmin и Хmax - минимальное и максимальное значения измеряемой величины. Максимальная приведенная погрешность называется классом точности: . В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) и рабочие. 1.3. Классификация КИП. На нефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее часто измеряемыми величинами являются температура, давление, расход и уровень. На них приходится около 80 % всех измерений. Остальную часть занимают электрические, оптические и др. измерения. При измерениях используются различные измерительные приборы, которые классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является разделение их на приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других физических величин. Классификация по роду измеряемой величины указывает, какую физическую величину измеряет прибор (давление Р, температуру Т, расход F, уровень L, количество вещества Q и т.д.). Исходя из признака преобразования измеряемой величины, измерительные приборы разделяют на приборы: а) непосредственной оценки; б) сравнения. По характеру измерения: стационарные и переносные. По способу отсчета измеряемой величины: показывающие, регистрирующие, суммирующие. 1.4. Виды первичных преобразователей. Первичные приборы или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Различают генераторные, параметрические и механические преобразователи: 1) Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию (термоэлектрические, пьезоэлектрические, электрокинетические, гальванические и др. датчики). 2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т.п. Им для работы необходим источник энергии. 3) Выходным сигналом механических первичных преобразователей (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др.) является усилие, развиваемое чувствительным элементом под действием измеряемой величины. 1.5. Методы и приборы для измерения температуры. 1.5.1 Классификация термометров. Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел. Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению. По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров: • термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел; • термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел; • термометры газовые манометрические; • термометры жидкостные манометрические; • конденсационные; • электрические; • термометры сопротивления; • оптические монохроматические пирометры; • оптические цветовые пирометры; • радиационные пирометры. 1.5.2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные. Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется как , 1/град, где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно. Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/С). Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой. 1.5.3 Термометры, основанные на расширении твердых тел. К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры. 1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения: , 1/град, где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно. В силу того, что  мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры. 2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %. 1.5.4 Газовые манометрические термометры. В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании. Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме. Достоинства: шкала прибора практически равномерна. Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона. 1.5.5 Жидкостные манометрические термометры. В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт , ксилол, толуол, ртуть и т.д. Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу. 1.5.6 Конденсационные манометрические термометры. Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые жидкостные. 1.5.7 Электрические термометры. Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры. В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t0: EAB(t t0) = eAB(t) + eBA(t0), где eBA и eAB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В. ТЭДС EAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t0. Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t0 (обычно t0 = 0 C или 20 C). При измерениях температура t0 может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения: EAB(t t0) = EAB(t t0’) + EAB(t0’t0). Поправка EAB(t0’t0) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t0’ и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной, если t0’ > t0 и отрицательной, если t0’ < t0. Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы. Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар. Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t0. Оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном. Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые; ХК - хромель-копелевые; ПП - платинородий-платиновые и т.д. Требования к термопарам: 1) воспроизводимость, 2) высокая чувствительность, 3) надежность, 4) стабильность, 5) достаточный температурный диапазон. Таблица 2.1 - Материалы, используемые для изготовления термопар. Название Состав ТЭДС, мВ (при t0 = 0 C и t1 = 100 C) Максимальный темпер. предел, C хромель 10% Cr + 90 % Ni +2,95 1000 платинородий 90 % Pt + 10 % Rh +0,86 1300 медь Cu +0,76 350 платина Pt 1300 алюмель 95 % Ni + 5 % Al -1,2 1000 копель 56 % Cu + 44 % Ni -4 600 константан 60 % Cu + 40 % Ni -3,4 600 Методы и средства для измерения ТЭДС: 1) Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра); 2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров). 1.5.8 Термометры сопротивления. Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Вид функции R = f(t) зависит от природы материала. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования: а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой; б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла  должен быть достаточно большим и неизменным; в) функция R = f(t) должна быть однозначна. Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др. Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин.). Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные). 1.5.9 Пирометры излучения. Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемого введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях. Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого. Возрастание интенсивности монохроматического излучения с повышением температуры описывается соответствующими уравнениями. 1.5.10 Цветовые пирометры. В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения реального тела Е в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны 1 и 2, то есть показания цветовых пирометров определяется функцией f(Е1 / Е2). Это отношение для каждой температуры различно, но однозначно. 1.6. Вторичные приборы для измерения разности потенциалов. Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры. В потенциометрах, в отличие от милливольтметров, используется компенсационный метод измерения. 1.6.1 Пирометрические милливольтметры. Пирометрические милливольтметры являются электро-измерительными приборами магнито-электрической системы. В конструкции пирометрических милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы. Первая состоит из подковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками характеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля. В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки создается специальными пружинами. Взаимодействие тока, протекающего по рамке с полем постоянного магнита 2 вызывает появление вращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот угол пропорционален величине протекающего по рамке тока. 1.6.2 Потенциометры. Потенциометры в отличие от милливольтметров работают по компенсационному (нулевому) методу измерения. Принцип компенсации при измерении ТЭДС заключается в уравновешивании ее известным напряжением U на калибровочном резисторе RАВ, созданным вспомогательным источником тока. Ток от вспомогательного источника проходит через реохорд RAB.UAB пропорционально RАВ (в точке D находится движок реохорда). Последовательно с термопарой, генерирующей ТЭДС, включен милливольтметр НП (нуль-прибор) с нулем в середине шкалы. Передвигая движок D, добиваются уравновешивания ΔU и E(t t0). 1.6.3 Автоматические электрические потенциометры. Схема автоматического потенциометра показана на рис. 2.5, где обозначено: Rp - сопротивление реохорда, Rш - шунта, Rп - для задания пределов измерения, Rн и Rк - для задания начала и конца шкалы, Rб - балластное, Rс - для поверки рабочего тока, Rм - медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев. ИПС - источник питания стабилизированный. Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую (измерительную диагональ АD) термопара с ТЭДС Е и электродвигатель ЭД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель. Мост может находится в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном. Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю: ΔU = UAD – Е = 0. В данном состоянии ЭД не работает. Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то мост выходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU ≠ 0. Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не станет равно нулю. В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматического внесения поправки на температуру холодных спаев термопары. 1.7. Методы измерения сопротивления. Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам. Двухпроводная схема подключения моста к ТС показана на рис. 2.6, где обозначены: R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста; Rб - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока; Rт - сопротивление ТС; Rл - сопротивление линии (соединительных проводов). Условием равновесия моста является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. в данном случае: R1.R3  R2.(R4 + Rт + 2.Rл). Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали UAD = 0 и, следовательно, ЭД не работает. При изменении температуры объекта изменяется Rт и UAD перестает быть нулевым. Это напряжение усиливается УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. Недостатком такой схемы является то, что сопротивления линии входят в одно плечо с Rт, следовательно, изменение Rл может вызывать изменение показаний моста. Для компенсации Rл применяются трехпроводная или четырехпроводная схемы. Трехпроводная схема подключения моста (см. рис. 2.7). В этом случае уравнение равновесия имеет вид: (R1 + Rл).R3  R2.(R4 + Rт + Rл). То есть сопротивление линии Rл входит в обе части уравнения и частично компенсируется. 1.8. Методы и приборы для измерения давления и разряжения. 1.8.1 Классификация приборов для измерения давления. Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие. В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Ра = 0 невозможно. Барометрическое давление Рбар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы. Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями: Ри = Ра - Рбар Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения. Классификация приборов для измерения давления: I. По принципу действия: 1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом жидкости); 2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень); 3) пружинные (давление измеряется по величине деформации упругого элемента); 4) электрические (основанные на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину). II. По роду измеряемой величины: 1) манометры (измерение избыточного давления); 2) вакуумметры (измерение давления разряжения); 3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и давления разряжения); 4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений); 5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения); 6) тягонапорометры; 7) дифманометры (для измерения разности давлений); 8) барометры (для измерения барометрического давления). 1.8.2 Жидкостные манометры. Широко применяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла. Двухтрубный манометр представляет из себя U-образную трубку, заполненную затворной жидкостью. 1.8.3 Чашечные манометры и дифманометры. Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью U-образного трубного манометра (см. рис. 2.10), у которого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Ра, действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки совмещен с атмосферой. Уравнение равновесия: Р =  g (h + H). Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и поверки рабочих приборов, реже - в качестве рабочих приборов. 1.8.4 Микроманометры. Применяются для измерения давлений, меньших 100 - 200 мм водяного столба. Представляют из себя жидкостной манометр с наклоненной по углом 20…50 трубкой. h = L.sin() - высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке, P = .g.h - измеренное давление. Погрешность:  1,5 %. 1.8.5 Пружинные манометры. Состоят из трубчатой пружины 1 с поводком, зубчатого сектора 3 и шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2. При увеличении давления трубчатая пружина стремится разогнуться, в результате чего она через поводок начинает взаимодействовать на зубчатый сектор, отклоняя стрелку. 1.8.6 Электрические манометры. Преобразователи давления типа "Сапфир". Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.). Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рис. 2.13). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремни­йорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металли­ческой гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному кон­туру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой. Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мемб­рану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразо­вателя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезис­торов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2. Преобразователи Сапфир-22ДА моделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизи­рована. Преобразователи Сапфир-22ДД моделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444 (см. рис. 2.14), предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al2O3) с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире). Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9. 1.9. Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости. 1.9.1 Классификация. Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3 или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием. Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный - в м3/с. Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества. Классификация: Механические объемные ковшовые барабанного типа мерники скоростные по методу переменного перепада давления по методу постоянного перепада давления напорные трубки ротационные Электрические электромагнитные ультразвуковые радиоактивные 1.9.2 Метод переменного перепада давления. Является самым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа. В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и сопла Вентури. Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы. Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением. I - I - сечение потока до искажения формы. II - II - сечение в месте максимального сужения. Рп - потери давления на трение и завихрения. Разность давлений Р1 - Р2 зависит от расхода среды, протекающей через трубопровод. В случае использования сопла струя, протекающая через него, не отрывается от его профилированной части и поэтому Рп меньше. Еще меньше потери Рп в сопле Вентури. Перепад давления измеряется дифманометрами. Комплект расходомера состоит из элементов: 1) сужающее устройство (Д); 2) импульсные трубки (Т); 3) дифманометр (ДМ). В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа "Сапфир". 1.9.3 Расходомеры постоянного перепада давления. К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические расходомеры. Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (см. рис. 2.17), которые имеют ряд преимуществ перед расходометрами переменного перепада давления: а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода; б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы. Принцип действия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося в расширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи. Q - расход проходящего через трубку газа или жидкости,  - угол наклона стенок трубки. Зависимость Н от Q нелинейна, но в начальном и среднем участках равномерность делений шкалы искажается в незначительной степени. Отсутствие прямой зависимости между Q и Н требует индивидуальной градуировки каждого прибора. Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска. 1.9.4 Расходомеры переменного уровня. Используются для измерения расходов смесей продуктов, содержащих твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред. Измерения осуществляются при атмосферном давлении. Состоит из элементов (см. рис. 2.18): 1 - калиброванный сосуд, 2 - уровнемерное стекло, 3 - отверстие в днище, 4 - перегородка для успокоения потока. 1.9.5 Расходомеры скоростного напора. Измерение расхода основано на зависимости динамического напора от скорости потока измеряемой среды. Дифманометр, соединяющий обе трубки, показывает динамическое давление, по котором судят о скорости потока и, следовательно, о расходе. 1.10. Методы и приборы для измерения уровня. 1.10.1 Методы измерения уровня. В общем объеме измерительных операций в нефтепереработке, нефтехимии и газовой промышленности измерение уровня составляет 18 - 20 %. Поl измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за начало отсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами. Методы измерения уровня: 1) поплавковый, 2) буйковый, 3) гидростатический, электрические и др. 1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня. Поплавковый уровнемер построен по принципу использования выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы (поплавок), плавающий на поверхности жидкости и имеющий постоянную осадку. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня определяется фиксацией положения поплавка. 1.10.3 Буйковые уровнемеры. Действие буйкового уровнемера основано на законе Архимеда. Чувствительный элемент буйкового уровнемера - буй - массивное тело, подвешенное вертикально внутри сосуда, уровень жидкости в котором контролируется. По мере изменения уровня жидкости изменяется погружение буя вследствии компенсации выталкивающей силы жидкости изменением усилия в подвеске. Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде. Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем больше, чем больше площадь поперечного сечения буя. 1.10.4 Гидростатические уровнемеры. В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, созданного столбом жидкости Р = ж g h. Различают пьезометрические уровнемеры и уровнемеры с непосредственным измерением столба жидкости. Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня самых разнообразных, в том числе вязких и агрессивных жидкостей. Воздух из пьезометрической трубки 1 барботирует через слой жидкости. Количество воздуха, подаваемого под давлением, ограничивается дросселем 3 таким образом, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Уровень жидкости определяется по разности давления в дифманометре 2. 1.10.5 Электрические методы измерения уровня. Для измерения уровня жидкости может быть использовано различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси под ней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ. Кондуктометрический метод измерения уровня основан на измерении электрической проводимости первичного преобразователя, зависящей от значения уровня. Емкостной метод измерения основан на изменении емкости первичного преобразователя в зависимости от положения уровня измеряемой среды. Обычно первичный преобразователь выполняется в виде коаксиальных цилиндрических обкладок, погруженных в измеряемую жидкость. С изменением уровня жидкость заполняет пространство между обкладками и тем самым изменяет их электрическую емкость. Зависимость между уровнем жидкости и емкостью пропорциональная. 2. Исполнительные устройства. 2.1. Классификация исполнительных устройств. Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в системе управления, непосредственно реализующее управляющее воздействие со стороны регулятора на объект управления путем механического перемещения регулирующего органа (РО) объекта. Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, кубового остатка колонны и т.д.). Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как F = F(ΔP, ν, ρ, C1, C2, …), где ΔP – перепад давления на РО, ν - вязкость, ρ – плотность, Сi – некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д. Отсюда видно, что расход F может быть изменен путем: - изменения ΔP (насосные ИУ), - ν или ρ (реологические ИУ), - коэффициентами Ci (дроссельные ИУ). 2.2. Исполнительные устройства насосного типа. Структура ИУ насосного типа представлена на рисунке, где обозначено: u – управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ – исполнительный механизм (привод), РО – регулирующий орган (насос), Хр – параметр, изменяющий производительность насоса (частота вращения вала, ход поршня и т.д.). Для данных ИУ, как правило, давление на выходе Рвых больше, чем давление на входе Рвх, а перепад давления на РО определяется как ΔР = Рвых – Рвх. Насосные ИУ делятся на три класса: 1) С вращательным движением РО: а) шестеренчатые – зубья шестеренок создают со стенками корпуса множество объемов, посредством которых жидкость из всасывающей линии подается в нагнетательную; обратный ток жидкости существенно меньше, так как при зацеплении шестеренок между собой остаточные объемы невелики. б) шиберные – при вращении шиберы центробежными силами прижимаются к корпусу и образуют с ним переменные объемы: на всасывающейся линии увеличивающиеся, на нагнетательной – уменьшающиеся. в) винтовые – перекачка производится винтовым шнеком. г) центробежные – изменение расхода происходит за счет изменения входной скорости в полости ротора насоса. 2) С поступательным движением РО: а) поршневые, б) мембранные, в) сильфонные. 2.3. Исполнительные устройства реологического типа. Некоторые жидкости и дисперсионные системы могут изменять вязкость под действием электрического поля (например, вазелиновое, трансформаторное, касторовое масла, олефины, алюмосиликаты и др.), т.е. F = F(ν). Преобразователь в ИУ данного типа осуществляет изменение электромагнитного поля в РО в зависимости от u, которое в свою очередь влияет на ν. При этом расход F на РО изменяется пропорционально. 2.4. Исполнительные устройства дроссельного типа. Эти ИУ нашли преимущественное распространение в силу универсальности и простоты. В зависимости от u ИМ изменяет какой-либо параметр дросселя РО, что приводит к изменению расхода F. Пропускной характеристикой дросселя называется зависимость расхода F от перепада давления ΔР = Рвх – Рвых, положения РО и т.д. Зависимость F(ΔР) для турбулентного потока: F = γ , где , S – площадь сечения потока, ξ – коэффициент местного сопротивления, ρ – плотность. Типы ИУ: 1) Плунжерные – расход регулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой «седло-затвор» (см. рис.). Форма затвора подбирается таким образом, чтобы пропускная характеристика F = F(h) была линейна (h – положение штока). 2) Шланговые – расход регулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ-1). 3) Диафрагмовые – используют гибкие мембраны. 4) Заслоночные – используют заслонки в виде дисков, вращающихся в сечении трубопровода. 5) Краны – используют затворы, выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход регулируется поворотом затвора на определенный угол. 6) Задвижки – расход регулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода. 2.5. Исполнительные механизмы. Стандартные исполнительные механизмы (ИМ) работают в комплекте с РО, образуя вместе ИУ, и классифицируются по: - виду энергии, создающей перестановочное усилие (электрические, пневматические, гидравлические и др.); - виду движения (прямоходовые, однооборотные и многооборотные); - принципу создания перестановочного усилия (мембранные, поршневые, сильфонные, лопастные, электромагнитные, электродвигательные и др.). Пневматические ИМ нашли широкое распространение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, надежности, способности работать в пожаро- и взрывоопасных условиях. Недостатки: ограниченность расстояния от регулятора до места установки ИУ (обычно до 200 м), низкое быстродействие, низкий класс точности. Входным сигналом этих ИМ является давление сжатого воздуха, которое, воздействуя на мембрану, создает усилие F = Sэф (Рu – Ро), где Pu – управляющее давление, Ро – начальное давление, при котором создается движение плунжера, Sэф – эффективная площадь мембраны. Электрические ИМ имеют преимущества: высокое быстродействие, точность позиционирования, компактность, доступность источника энергии, большие перестановочные усилия. Недостатки: дороговизна, необходимость мер защиты во взрыво- и пожароопасных условиях. Подразделяются на электродвигательные (привод от двигателя) и электромагнитные. Промышленность выпускает практически только электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380 В: - многооборотные (МЭМ), - однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360º, - прямоходовые (МЭП). Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический ИМ, момент 6,3 Н.м, время хода 10 сек, номинальный ход 0,25 оборота). 3. Функциональные схемы автоматизации 3.1. Условные обозначения Все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте изображаются на функциональных схемах автоматизации в виде окружностей (см. рис. 2.30, а и б). Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторных помещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная разделительная линия (см. рис. 2.30, в и г). Если функция, которой соответствует окружность, реализована в системе распределенного управления (например, в компьютеризированной системе), то окружность вписывается в квадрат (см. рис. 2.30, д). Внутрь окружности вписываются: - в верхнюю часть - функциональное обозначение (обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемых параметров, обозначение функций и функциональных признаков приборов и устройств); - в нижнюю - позиционные обозначения приборов и устройств. Места расположения отборных устройств и точек измерения указываются с помощью тонких сплошных линий. Буквенные обозначения средств автоматизации строятся на основе латинского алфавита и состоят из трех групп букв: 1 буква - Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр: D - плотность, Е - любая электрическая величина, F - расход, G - положение, перемещение, Н - ручное воздействие, К - временна’я программа, L - уровень, М - влажность, Р - давление, Q - состав смеси, концентрация, R - радиоактивность, S - скорость (линейная или угловая), Т - температура, U - разнородные величины, V - вязкость, W – масса. 2 буква (не обязательная) - уточнение характера измеряемой величины: D - разность, перепад, F - соотношение, J - автоматическое переключение, Q - суммирование, интегрирование. 3 группа символов (несколько букв) - функции и функциональные признаки прибора: I - показания, R - регистрация, С - регулирование, S - переключение, Y - преобразование сигналов, переключение, А - сигнализация, Е - первичное преобразование параметра, Т - промежуточное преобразование параметра, передача сигналов на расстояние, К - переключение управления с ручного на автоматическое и обратно, управление по программе, коррекция. Условные обозначения других приборов, используемых на схемах, показаны на рис. 2.31: - автоматическая защита из системы противоаварийной защиты (ПАЗ, см. рис. 2.31,а); - технологическое отключение (включение) из системы управления (см. рис. 2.31, б); - регулирующий клапан, открывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально открытый) – рис. 2.31, в; - регулирующий клапан, закрывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально закрытый) – рис. 2.31, г; - управляющий электропневматический клапан (ЭПК) – рис. 2.31, д; - отсекатель с приводом (запорный клапан) – рис. 2.31, е. 3.2. Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации (В скобках указаны примеры типов приборов) Первичный измерительный преобразователь для измерения температуры, установленный по месту (например, термоэлектрический преобразователь (термопара), термопреобразователь сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т.д.). Прибор для измерения температуры показывающий (термометры ртутный, манометрический и т.д.). Прибор для измерения температуры показывающий, установленный на щите (милливольтметр, логометр, потенциометр (типа КСП и др.), мост автоматический (типа КСМ и др) и т.д.). Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту. Прибор для измерения температуры одноточечный регистрирующий, установленный на щите (милливольтметр самопишущий, логометр, потенциометр и т.д.). Прибор для измерения температуры с автоматическим обегающим устройством регистрирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр, мост и т.д.). Прибор для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр и т.д.). Регулятор температуры бесшкальный, установленный по месту (дилатометрический регулятор температуры и д.р.). Комплект для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, снабженный станцией управления, установленный на щите (пневматический вторичный прибор, например, ПВ 10.1Э системы «Старт» с регулирующим блоком ПР 3.31). Прибор для измерения температуры бесшкальный с контактным устройством, установленный по месту (реле температурное). Байпасная панель дистанционного управления, установленная на щите. Переключатель электрических цепей измерения (управления), переключатель для газовых (воздушных) линий, установленный на щите. Прибор для измерения давления (разряжения), показывающий, установленный по месту (любой показывающий манометр, дифманометр, напоромер и т.д.). Прибор для измерения перепада давления показывающий, установленный по месту (дифманометр показывающий. Прибор для измерения давления (разряжения) бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (дифманометр бесшкальный с пневмо- или электропередачей). Прибор для измерения давления (разряжения) регистрирующий, установленный на щите (самопишущий манометр или любой другой вторичный прибор для регистрации давления). Прибор для измерения давления с контактным устройством, установленный по месту (реле давления). Прибор для измерения давления (разряжения) показывающий с контактным устройством, установленный по месту (электроконтактный манометр и т.д.). Регулятор давления прямого действия «до себя». Первичный измерительный преобразователь для измерения расхода, установленный по месту (диафрагма, сопло Вентури датчик индукционного расходомера и т.д.). Прибор для измерения расхода бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (бесшкальный дифманометр, ротаметр с пневмо- или электропередачей). Прибор для измерения соотношения расходов регистрирующий, установленный на щите (любой вторичный прибор для регистрации соотношения расходов). Прибор для измерения расхода показывающий, установленный по месту (дифманометр или ротаметр показывающий и т.д.). Прибор для измерения расхода интегрирующий показывающий, установленный по месту (любой счетчик-расходомер с интегратором). Прибор для измерения расхода показывающий интегрирующий, установленный на щите (показывающий дифманометр с интегратором). Прибор для измерения расхода интегрирующий с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количество вещества, установленный по месту (счетчик-дозатор). Первичный измерительный преобразователь для измерения уровня, установленный по месту (датчик электрического или емкостного уровнемера). Прибор для измерения уровня показывающий, установленный по месту. Прибор для измерения уровня с контактным устройством, установленный по месту (реле уровня). Прибор для измерения уровня с контактным устройством бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (уровнемер бесшкальный с пневмо- или электропередачей). Прибор для измерения уровня бесшкальный регулирующий с контактным устройством, установленный по месту (электрический регулятор-сигнализатор уровня с блокировкой по верхнему уровню). Прибор для измерения уровня показывающий с контактным устройством, установленный на щите (вторичный показывающий прибор с сигнализацией верхнего и нижнего уровня). Прибор для измерения плотности раствора бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (датчик плотномера с пневмо- или электропередачей). Прибор для измерения размеров показывающий, установленный по месту (толщиномер). Прибор для измерения любой электрической величины показывающий, установленный по месту. Вольтметр. Амперметр. Ваттметр Прибор для управления процессом по временной программе, установленный на щите (командный пневматический прибор, многоцепное реле времени и т.д.). Прибор для измерения влажности регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор влагомера и т.д.). Первичный преобразователь для измерения качества продукта, установленный по месту (датчик рН-метра и т.д.). Прибор для измерения качества продукта показывающий, установленный по месту (газоанализатор на кислород и т.д.). Прибор для измерения качества продукта регистрирующий регулирующий, установленный на щите (вторичный самопишущий прибор регулятора концентрации серной кислоты в растворе и т.д.). Прибор для измерения радиоактивности показывающий с контактным устройством, установленный по месту (прибор для показаний и сигнализации предельно допустимых значений  и -излучений). Прибор для измерения частоты вращения привода регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор тахогенератора). Прибор для измерения нескольких разнородных величин регистрирующий, установленный по месту (самопишущий дифманометр-расходомер с дополнительной записью давления и температуры). Прибор для измерения вязкости раствора показывающий, установленный по месту (вискозиметр показывающий). Прибор для измерения массы продукта показывающий с контактным устройством, установленный по месту (устройство электронно-тензометрическое сигнализирующее и т.д.). Прибор для контроля погасания факела печи бесшкальный с контактным устройством, установленный на щите (вторичный прибор запально-защитного устройства; применение резервной буквы В должно быть оговорено на поле схемы). Преобразователь сигнала, установленный на щите (входной и выходной сигналы – электрические; нормирующий преобразователь и т.д.). Преобразователь сигнала, установленный по месту (входной сигнал пневматический, выходной – электрический; электропневмопреобразователь ЭПП-63 и т.д.). Устройство, выполняющее функцию умножения на постоянный коэффициент К. Пусковая аппаратура для управления электродвигателем (магнитный пускатель, контактор и т.д.; применение резервной буквы N должно быть оговорено на поле схемы). Аппаратура, предназначенная для ручного дистанционного управления, установленная на щите (кнопка, ключ управления, задатчик и т.д.). Аппаратура для ручного дистанционного управления, снабженная устройством для сигнализации, установленная на щите (кнопка с лампочкой и т.д.). Ключ управления, предназначенный для выбора управления, установленный на щите. 3.3. Примеры схем контроля температуры. 3.3.1 Индикация и регистрация температуры (TIR). 101-1 Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от –50 С до 900 С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2, марка ТХА-0515 101-2 Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72 101-3 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542 Примечание: Другие виды амперметров: А-502, А-503 – показывающие, А-542, А-543 – регистрирующие, последняя цифра – число параметров; А-100 – показывающий на 1 параметр. 3.3.2 Индикация, регистрация и регулирование температуры с помощью пневматического регулятора (TIRС, пневматика). 102-1 то же, что 101-1 102-2 то же, что 101-2 102-3 электропневмопреобразователь, входной сигнал 0…5 мА, выходной – стандартный пневматический 0,02…0,1 МПа, марка ЭПП-63 (или ЭПП-180) 102-4 пневматический вторичный прибор на 3 параметра со станцией управления, марка ПВ 10.1Э (с электроприводом диаграммной ленты) 102-5 Пневматический ПИ-регулятор ПР 3.31 Примечание: Регуляторы ПР 2.31 сняты с производства. 3.3.3 Индикация и регулирование температуры с помощью микропроцессорного регулятора (TIС, эл.). 103-1 то же, что 101-1 103-2 Трехканальный микропроцесс-сорный регулятор типа «Протерм-100» 103-3 Регулирующий клапан для неагрессивных сред, корпус из чугуна, предельная температура Т = 300 С, давление Ру = 1,6 МПа, условный диаметр Dу = 100 мм, тип 25нч32нж 3.3.4 Индикация, регистрация, сигнализация и регулирование температуры с помощью потенциометра (моста) (TIRС, эл.). 104-1 то же, что 101-1 104-2 Автоматический электронный потенциометр на 1 точку со встроенными устройствами регулирования и сигнализации, тип КСП-4 (или автоматический электронный мост типа КСМ-4 и т.д.) 104-3 Лампа сигнальная Л-1 104-4 то же, что 103-3 3.4. Примеры схем контроля давления. 3.4.1 Индикация давления (PI). 210-1 Манометр пружинный М-… (см. рис. 2.36) 3.4.2 Сигнализация давления (PA). 202-1 Пневматический первичный преобразователь давления, предел измерения 0… 1,6 МПа, выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом) 202-2 Электроконтактный манометр с сигнальной лампой ЭКМ-1 202-3 то же, что 104-3 3.4.3 Индикация, регистрация и регулирование давления (PIRC, пневматика) См. рис. 2.38. 203-1 то же, что 202-1 203-2 то же, что 102-4 203-3 то же, что 102-5 203-4 то же, что 103-3 3.4.4 Индикация и регистрация давления (PIR, эл.). См. рис. 2.39. 204-1 Первичный преобразователь давления со стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка МС-Э (или Сапфир-22ДИ и т.д.) 204-2 то же, что 101-3 3.4.5 Индикация, регистрация, регулирование и сигнализация давления (PIRCA, пневматика). См. рис. 2.40. 205-1 то же, что 202-1 205-2 то же, что 102-4 205-3 то же, что 102-5 205-4 то же, что 103-3 205-5 то же, что 202-2 205-6 то же, что 202-3 3.5. Схемы контроля уровня и расхода. Схемы контроля уровня аналогичны схемам контроля давления, поскольку его значение при измерении либо преобразуется в давление, либо датчики уровня, как и датчики давления, имеют на выходе стандартный пневматический или электрический сигнал. Для измерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечении трубопровода, поэтому на схеме из обозначения также, как правило, изображаются встроенным в трубопровод. При использовании сужающих устройств, например, диафрагм, перепад давлений на них замеряется дифманометрами, поэтому схемы автоматизации аналогичны схемам контроля давления. Прочие расходомеры, как правило, уже имеют на выходе стандартный сигнал. Примеры схем: 301-1 Диафрагма марки ДК6-50-II-а/г-2 (диафрагма камерная, давление Ру = 6 атм, диаметр Dу = 50 мм) 301-2 Дифманометр с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа, марка ДС-П1 (для пневматики) или Сапфир-22ДД (для электрической схемы) 302-1 Ротаметр РД-П (с пневмовыходом) или РД-Э (с электрическим выходом) Таблица 2.2 - Форма спецификации к ФСА. поз. Параметры среды, измеряемые параметры Наименование и техническая характеристика Марка К-во Приме- чание 100-1 101-1 103-2 Давление в аппарате, Рmax = 0,5 МПа Манометр сильфонный с пневмовыходом, вых. сигнал 0,02…0,1 МПа, пределы измерений 0…1,6 МПа МС-П2 3 по месту Приборы в спецификации могут быть сгруппированы по позициям на схеме или по маркам. Часть 3. Современные системы управления производством. 1. Структура АСУ ТП. Характерной особенностью развития современной электронной промышленности является бурный рост, сопровождающийся столь же бурным снижением стоимости средств автоматизации, вычислительной техники, коммуникаций, устройств высокоточных измерений параметров. Цифровые технологии быстро вытесняют аналоговые, преобладавшие в системах управления в недалеком прошлом. Это связано с тем, что возможности цифровых средств измерения и управления на порядок выше, чем у аналоговых. К числу их достоинств относятся: 1) более точное представление измеряемых величин; 2) большая помехозащищенность; 3) возможности построения вычислительных сетей; 4) большая гибкость и эффективность в управлении процессом и т.д. Все эти возможности связаны с конкретными выгодами для пользователей: 1) ускорение работы операторов системы управления; 2) экономия финансовых ресурсов; 3) повышение качества и корректности решений, принимаемых операторами; 4) уменьшение потерь продукции и др. Любую автоматическую систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) можно в конечном итоге разделить на 3 основных уровня иерархии: Самым нижним уровнем является уровень датчиков и исполнительных механизмов, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов). Средний уровень - уровень производственного участка. Его функции: - сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение; - выработка управляющих сигналов на основе анализа информации; - передача информации о производственном участке на более высокий уровень. Верхний уровень в системе автоматизации занимает т.н. уровень управления. На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Атрибутом этого уровня является центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей: 1) операторской части, 2) системы подготовки отчетов, 3) системы анализа тенденций. Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами. Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др. Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдения за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы. На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой заданный интервал времени. а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения вырхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным). 2. Устройства связи с объектом (УСО). Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном технологическом объекте. имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид (напряжение, сопротивление, давление), а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом и цифровом видах, в современной АСУТП используют устройства связи объектом. Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы с клеммными соединителями или стандартный DIN-рельс. На УСО возлагаются следующие функции: 1) Нормализация аналогового сигнала, т.е. приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входных сигналов АЦП. 2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. 3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы. Помимо этих функций ряд УСО может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе АЦП, дискретного ввода-вывода, микропроцессора и интерфейсов передачи данных. По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые. Аналоговые УСО (аналого-цифровые преобразователи АЦП, цифро-аналоговые преобразователи ЦАП и др.) должны обладать большой точностью, линейностью и большим напряжением изоляции. Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, выключателей, контроля наличия напряжения в сети и т.д., а выходные дискретные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО удовлетворяют тем же требованиям, что и аналоговые, но, кроме того, обладают минимальным временем переключения, а выходные могут обеспечивать коммутацию более высоких токов и напряжений. Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой информацией. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для сетевого взаимодействия (например, повторители для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485). По направлению прохождения данных модули УСО можно разделить на три типа: 1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов датчиков; 2) устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы; 3) двунаправленные. В реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельных устройств, а входить в состав датчиков (в этом случае датчики называют интеллектуальными) или промышленных компьютеров. Примером могут служить датчики, выдающие готовый цифровой сигнал. в этом случае граница между первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри датчика. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-плат, вставляемых в стандартные ISA или PCI слоты компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой вид. 3. Аппаратная и программная платформа контроллеров. Промышленные контроллеры и компьютеры. расположенные на средне уровне АСУТП играют роль управляющих элементов. принимающих цифровую информацию и передающих управляющие сигналы. До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт», «Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др. В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров. Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытотью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю. Второе важное преимущество их заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала. Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать, что программная надежность будет выше, чем у PLC. Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти. 4. Операционная система PC-контроллеров Операционная система контроллеров должна удовлетворять требованиям открытости. Но не только им. Специфика условий работы контроллеров требует, чтобы ОС поддерживала работу в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти. Для PC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX (фирма QSSL, Канада). Прежде всего, это связано с тем, что архитектура QNX является открытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться как из ПЗУ, флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. QNX разработана в соответствии со стандартами POSIX, является коммерческой операционной системой, широко распространена на мировом рынке (сотни тысяч продаж), поддерживает все шины, используемые в PC-контроллерах, включая ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32. Более ста фирм - производителей программного и аппаратного обеспечения выпускают продукцию, ориентированную на QNX. QNX является операционной системой, которая дает полную гарантию в том, что процесс с наивысшим приоритетом начнет выполняться практически немедленно и что критическое событие (например, сигнал тревоги) всегда будет обработано. Она известна как операционная система, функционирующая в "защищенном режиме". Это означает, что все программы в системе защищены друг от друга и любая "фатальная" ошибка в одной из программ не приводит к "краху" всей системы. Файловая система QNX была разработана с учетом обеспечения целостности данных при отключениях питания. Даже при форс-мажорном отключении питания вы лишь потеряете некоторые данные из кэш-памяти, но файловая система не разрушится. После включения компьютера будет обеспечена нормальная работа системы. В QNX полностью реализовано встроенное сетевое взаимодействие "точка-точка". По существу, сеть из машин QNX действует как один мощный компьютер. Любые ресурсы (модемы, диски, принтеры) могут быть добавлены к системе простым подключением к любой машине в сети. QNX поддерживает одновременную работу в сетях Ethernet, Arcnet, Serial и Token Ring и обеспечивает более чем один путь для коммуникации, а также балансировку нагрузки в сетях. Если кабель или сетевая плата выходят из строя и связь прекращается, то система будет автоматически перенаправлять данные через другую сеть. Это предоставляет пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличивает скорость и надежность коммуникаций во всей системе. 5. Средства технологического программирования контроллеров Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными офисными компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического программирования. Как правило, на промышленных предприятиях с контроллерами работают не программисты, а технологи, хорошо знающие специфику объектов управления и технологического процесса. Для описания процессов обычно используются такие языки, как язык релейно-контактных схем, функциональных блоков и так далее, теоретические основы которых взяты из методов автоматического управления. Накопленный многими фирмами опыт был обобщен в виде стандарта IEC 1131-3 [1], где определены пять языков программирования контроллеров: SFC - последовательных функциональных схем, LD - релейных диаграмм, FBD - функциональных блоковых диаграмм, ST - структурированного текста, IL - инструкций. Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт: ACCON-Prosys 1131 (фирма DeltaLogic), Open DK (фирма infoteam Software GmbH), Multiprog (фирма KW Software), NAiS Control (Matsushita Automation Controls) и др. Наиболее известной реализацией этого стандарта является пакет ISaGRAF фирмы CJ International, включающий систему разработки (WorkBench) и систему исполнения (Target). Если первая используется для создания, моделирования, тестирования и документирования прикладных программ, исполняемых под управлением ядра ISaGRAF, то вторая загружается извне либо записывается в ПЗУ. По данным организации PLCopen, в настоящее время программа, созданная с помощью ISaGRAF, может быть загружена и исполнена на процессорах Intel и Motorola под управлением операционных систем DOS, OS-9, QNX, iRMX, Lynx, pSOS, OS-9000, VMEexec, VRTX, VxWorks, Windows NT. Основными достоинствами ISaGRAF являются простой, интуитивно понятный для технолога графический интерфейс, встроенные средства отладки, моделирования, тестирования и документирования программ, поддержка промышленных сетей (Profibus, Modbus). 6. Пример реализации контроллеров В качестве примера контроллера, построенного на базе концепции открытых систем рассмотрим контроллер CS104 фирмы Steinhoff. Это компактный, модульный и PC-совместимый компьютер, который может комплектоваться оборудованием любой фирмы, поставляющей платы в формате PC/104, в том числе платы ввода-вывода, жесткие или гибкие диски, PC-карты, флэш-память и т. д. Базовый комплект контроллера фирмы Steinhoff: процессорный модуль, включающий сам процессор, 4-Мбайт динамическое ОЗУ, интерфейсы для клавиатуры, мыши, два последовательных и один параллельный порт, IDE/FDD, 128-Kбайт флэш-памяти, таймер реального времени, сторожевой таймер, Ethernet. Для ОС QNX обеспечивается удаленная загрузка по сети. По усмотрению пользователя контроллер CS104 может быть укомплектован одним из следующих интерфейсов для промышленных сетей: Profibus, CAN, InterBus-S, LonWorks, II/O Lightbus, к каждому из которых поставляются драйверы, работающие в QNX. Для технологического программирования используется пакет ISaGRAF с исполнительной системой для ОС QNX. Такая архитектура ПО позволяет на работающей системе осуществлять удаленное программирование (на технологических языках IL, ST, FB, SFC, LD) и отладку в защищенном режиме элементов приложения, обслуживающих отдельные 32-разрядные задачи рабочего процесса, что гарантирует высокую надежность работы системы в целом. Взаимодействие со SCADA-системами обеспечивают драйверы для нескольких пакетов, таких как RealFlex, Sitex и др. [2]. Таким образом, контроллер CS104 позволяет построить систему АСУ ТП с использованием стандартных компонентов, обладающую модульностью и масштабируемостью, т. е. в полной мере соответствующую концепции открытых систем. Микропроцессорные системы управления. Современные информационные технологии и технологии управления ставят в качестве основных две задачи: 1) повышение эффективности производства за счет улучшения процесса сбора, обработки информации и ее использования для целей управления; 2) обеспечение простоты решения предыдущей задачи, т.е. реализация дружественного человеко-машинного интерфейса (MMI). 4.1 Структура современной АСУТП АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами, имеющая 2 или 3 уровня и выполняющая следующие функции: - сбор информации; - поддержание технологических параметров на заданных значениях; - контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняются функции регулирования; - сигнализация; - блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных действий технологического персонала; - противоаварийная защита (ПАЗ) при возникновении аварийных ситуаций. Упрощенно структуру АСУТП можно представить в следующем виде (см. рисунок 3.1). Рисунок 3.1 - Структура информационных потоков АСУ ТП Первый (нижний) уровень АСУТП является уровнем датчиков, исполнительных механизмов и контроллеров, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов). Задачами уровня являются: - сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса; - выработка управляющих воздействий на технологический процесс с целью поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменения их по определенным законам; - сигнализация о выходе их за заданные пределы; - блокировка ошибочных действий персонала и управляющих устройств; - противоаварийная защита (ПАЗ) процесса по факту аварийных событий. Подсистемы этого уровня поддерживают параметры технологического процесса на заданных значениях и могут быть реализованы с использованием «традиционных» методов регулирования динамическими объектами. Второй (средний) уровень - уровень производственного участка (цеха). Его функции: - сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение; - выработка управляющих сигналов на основе анализа информации; - передача информации о производственном участке на более высокий уровень; - вычисление неизмеряемых параметров, в частности, показателей качества (ПК) продуктов, технико-экономических показателей; - сведение материальных балансов; - архивирование информации; - генерация отчетов; - диагностика и защита от сбоев в элементах подсистем нижнего уровня; - определение настроек управляющих устройств (УУ) и уставок локальных регуляторов подсистем I уровня; - изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение/выключение, переход в ручное управление и т.д.). На данном уровне производится оптимизация технологических процессов по технологическим показателям. Третий (верхний) уровень в системе автоматизации занимает т.н. уровень управления и относится к системе управления предприятием (АСУП). На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции и оптимизация по технико-экономическим и экономическим показателям. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Задачи управления данного уровня: - оптимизация экономических показателей производства; - управление по экономическим и технико-экономическим показателям; - сведение материальных балансов; - архивирование информации; - составление производственных планов и т.д. Следует отметить, что некоторые задачи второго и третьего уровней перекрываются и в ряде случаев эти два уровня объединяются в один. Рисунок 3.2 – Развернутая структура современной АСУТП Атрибутом этого уровня является центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей: 1) операторской части, 2) системы подготовки отчетов, 3) системы анализа тенденций. Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство в ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами. Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др. Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдать за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы. На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой заданный интервал времени. а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным). Структура современной АСУТП в развернутом виде представлена в виде (см. рисунок 3.2). 4.2 Аппаратная реализация систем управления 4.2.1 Средства измерения технологических параметров Во всем сообществе электронных средств промышленной автоматизации в последнее время появилась ниша приборов с цифровым способом передачи данных, то есть на смену господствовавшему в течение почти 25 лет стандарту 0...20 мА (4...20 мА и др.) приходит двоичный способ представления информации в системах управления и регулирования. Преимущества данного способа: повышенная точность передачи данных, возможность обнаружения и устранения ошибок при передаче, возможность использования одной линии связи для работы нескольких устройств, а также использование одной линии для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов (например, HART-протокол) и т.д. С развитием технических средств автоматизации менялись методы измерения и идеология построения самих систем измерения и управления. Далее рассматривается аппаратная реализация первого (нижнего) уровня современной АСУТП, объединяющего информационные системы сбора и первичной обработки информации. В настоящее время применяют т.н. «интеллектуальные датчики». Этот термин означает, что устройство имеет встроенный микропроцессор, который позволяет осуществлять определенные функции. Интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости. Так, основная погрешность приборов серии «Метран-45» составляет 0,25 % от шкалы, а основная погрешность интеллектуального датчика серии 3051 Coplanur (фирма Fisher-Rosemount Inc.) - 0,075 %. В круг возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный расход , температуру и давление в массовый расход, т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики, автоматическая калибровка. Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи и аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих видов сигналов аналоговый используется для трансляции значения измеренного параметра, а цифровой - для функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать измеряемый параметр. Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для существующих систем. Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований сигнала 4...20 мА. Но цифровой способ измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на последовательную передачу информационной посылки), которая может быть неприемлема для управления быстродействующими контурами. Цифровой датчик позволяет хранить дополнительную информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов. При выборе технических средств нужно руководствоваться, прежде всего, спецификой процесса. Если нет необходимости использования сложных алгоритмов управления, не требуется высокой точности, если объект не является рассредоточенным и не требует большого числа приборов, то здесь можно эффективно использовать пневматические средства. Данные устройства имеют некоторые преимущества перед электрическими: они пригодны для эксплуатации во взрыво- и пожароопасных зонах, вся автоматика защиты (отсечные клапаны) смонтированы на пневмосредствах, просты в эксплуатации, не требуют особой подготовки персонала, кроме того, требуют меньших материальных затрат на приобретение. Для объектов с сосредоточенными параметрами (например, установка на НПЗ) более подойдут аналоговые средства, которые обладают рядом преимуществ. В частности, использование стандартных уровней сигналов не ставит проблемы сопряжения устройств, скорость передачи подходит для использования в системах реального времени, высокая точность (до 0,05 %) и возможность применения нестандартной аппаратуры. Но потребность в большом количестве недешевых соединительных проводов, ограничения на дальность передачи и подверженность влиянию помех вносят неудобства при применении. Класс цифровых устройств, кроме перечисленных выше задач, позволяет решать задачи управления сильно распределенных объектов (например, НГДУ) и благодаря применению пары проводов для подключения нескольких приборов значительно уменьшает затраты на монтаж системы. Особенности применения цифровой передачи, из-за отсутствия единого стандарта, связаны с использованием различных протоколов связи. 4.2.2 Устройства связи с объектом Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид, а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой стороны, новейшие средства автоматизации, которые находят все большее применение в системах управления, используют цифровое представление обрабатываемых величин. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом/дискретном и цифровом виде, используются устройства связи с объектами (УСО). Таким образом, УСО являются неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе использующей цифровые устройства (промышленные компьютеры, вычислительные сети и т.д.). Для представления места УСО в процессе автоматизации производства подобные системы можно теоретически изобразить в виде схемы (см. рисунок 3.3). Рисунок 3.3 Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного преобразования параметров в выходной сигнал для передачи в УСО. Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие через УСО, для воздействия на процесс. Связь между датчиками, исполнительными механизмами и УСО может быть аналоговой, дискретной или цифровой. Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управляющего элемента, принимающего цифровую информацию от УСО и вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др. Данная схема является условной, поскольку в реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. Примером служат датчики, которые осуществляют двойное (тройное и т.д.) преобразование измеряемой величины и выдающие на вход готовый цифровой сигнал. В этом случае граница между собственно первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри него. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-платы, вставляемой в ISA-слот компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой код. В дальнейшем в качестве УСО будем рассматривать модули, платы и другие устройства, предназначенные для приема аналоговых и дискретных сигналов от объекта (независимо от того, сколько раз они были преобразованы внутри него), преобразования его в цифровой вид для передачи в компьютер (контроллер), а также для приема цифровых управляющих данных от РС и преобразования их в вид, соответствующий исполнительным механизмам объекта. Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы, имеющие клеммные соединители для подвода внешних цепей (такие платы называют монтажными панелями), либо на стандартный несущий DIN-рельс. Модули УСО заключены в пластмассовый корпус и оснащены соответственно либо выводами для крепления на монтажных панелях, либо клеммными соединителями с винтовой фиксацией для крепления входных и выходных цепей. На УСО возлагают следующие функции: 1) Нормализация аналогового сигнала - приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от -5 до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от 1 до 5 мА. 2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности. 3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы. Помимо этих функций, ряд устройств связи с объектом может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе подсистемы аналого-цифрового преобразования и дискретного ввода-вывода, микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов последовательной передачи данных. Простейшим устройством гальванической развязки является электромагнитное реле. Реле, как правило, инерционны, имеют относительно большие габариты и обеспечивают ограниченное число переключений при достаточно большом потреблении энергии. Развитие электроники привело к распространению компонентов, обеспечивающих оптическую развязку между цепями. УСО, построенные с использованием такой развязки, являются недорогими, высоконадежными и быстродействующими. Кроме того, они характеризуются высоким напряжением изоляции и низкой потребляемой мощностью. По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые дискретные и цифровые. Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хорошей линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение изоляции. Кроме того, желательными являются работа с различными источниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от терморезисторов, термопар и т.д.), возможности быстрой замены и низкая стоимость. Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, концевых выключателей, контроль наличия в цепи напряжения, тока и т.д., а выходные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО должны удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые. Кроме того, они должны обладать минимальным временем переключения, а выходные - обеспечивать коммутацию как можно более высоких напряжений и токов и вносить при этом минимум искажений, обусловленных переходными процессами, в коммутируемую цепь. Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой формой информации. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого взаимодействия. Например, повторители, служащие для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485. По направлению прохождения данных через УСО их можно разделить на 3 типа: 1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчиков в устройство обработки и вывода сигналов для управления; 2) устройства вывода, предназначенные для формирования сигналов для исполнительных механизмов; 3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сигналов. Если рассматривать УСО с точки зрения назначения и конструктивного исполнения, то здесь можно выделить следующую классификационную структуру: 1 Устройства преобразования типа «а/д сигнал  ЦИ», т.е. преобразующие аналоговые и дискретные сигналы в цифровой вид для передачи по цифровому интерфейсу (ЦИ) и наоборот. Внутри этого типа можно выделить классы: 1.1 Модули аналогового/дискретного ввода/вывода, выполненные в одном конструктиве (см. рисунок 3.4,а). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech. 1.2 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  ЦИ» (м.п. - монтажная плата) (см. рисунок 3.4,б). Пример: модули фирм Grayhill, Analog Devices. 1.3 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  контроллер  ЦИ» (см. рисунок 3.4,в). Пример: контроллеры Grayhill. Рисунок 3.4 2 Вспомогательные устройства: 2.1 Устройства типа «ЦИ  ЦИ», служащие для преобразования интерфейсов либо для организации новых сегментов измерительной сети (коммуникационные модули) (см. рис. 3.4, г). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech. 2.2 Модули нормализации и гальванической развязки («а/д  модуль  а/д»). Пример: серия ADAM-3000 фирмы Advantech. 3 Платы для ввода/вывода данных в PC: 3.1 Формирователь интерфейсов («ЦИ  плата  РС»). 3.2 Платы АЦП/ЦАП («а/д  плата  РС»). Некоторые УСО используют монтажные платы для установки модулей ввода/вывода. На некоторых из этих плат установлены АЦП/ЦАП-преобразователи и формирователи ЦИ. Устройства первого вида являются основными УСО, используемыми в автоматизации и поэтому широко представленными производителями. Эти устройства предназначены для реализации взаимодействия между вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы. Модули обеспечивают выполнение следующих функций: • прием и дешифрацию команд по цифровому каналу; • ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток и напряжение); • опрос состояния дискретных входов; • фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов; • вывод аналоговых (ток и напряжение) и дискретных сигналов; • аналого-цифровое (для модулей аналогового ввода) преобразование; • цифро-аналоговое (для модулей аналогового вывода) преобразование; • преобразование шкалы значений непрерывных параметров в предварительно заданные единицы измерения; • формирование и передачу в адрес основной вычислительной системы информации, содержащей результат измерения или состояние дискретных входов, после получения соответствующего запросу по цифровому каналу. Настройка и калибровка многих модулей осуществляется программным способом путем передачи в их адрес соответствующих команд по информационной сети. Примером таких модулей, выполненных в виде единого отдельного устройства, являются модули серии ADAM-4000, производимые фирмой Advantech. Модули позволяют создавать на технологическом участке измерительную сеть, основанную на интерфейсе RS-485 и состоящую из нескольких сегментов. Взаимодействие между основной вычислительной системой (контроллером сети, КС) и модулями, объединенными в сеть, осуществляется путем передачи в адрес каждого модуля запроса, содержащего префикс типа команды, символьное представление сетевого адреса запрашиваемого модуля, число, соответствующее подтипу команды, и символ возврата каретки. Для программного обеспечения КС выдача запроса означает выдачу строки символов в последовательный порт. При получения команды встроенное программное обеспечение модуля производит проверку его корректности и идентификацию, после чего посылает в адрес КС запрашиваемую информацию в виде строки символов. Представителем 2-го класса этого типа УСО, т.е. УСО, представляющих собой набор модулей, устанавливаемых на монтажную плату, являются модули и платы фирм Analog Devices (серии 5В, 6В, 7В), Grayhill (серии 70G, 70, 70M, 73G), Opto22 и др. Особенностью этих модулей аналогового/дискретного ввода является то, что они сами по себе не обеспечивают цифрового интерфейса. Выходы этих модулей, как правило, частотные. При этом частота выходного сигнала линейно зависит от значения входного сигнала и меняется в определенном диапазоне (14,4 кГц...72 кГц). Таким образом, чтобы получить цифровое значение входного сигнала, нужно измерить частоту с выхода модуля либо через дискретный порт ввода/вывода либо программным способом, либо используя специализированные монтажные платы, преобразующие частоту в код. Стоимость такой платы ниже, чем для традиционной платы АЦП, поскольку она работает с частотным, т.е. дискретным сигналом, а значит, не содержит дорогих аналоговых цепей. Дополнительным достоинством устройств развязки данного класса является возможность установки на монтажную панель как аналоговых, так и дискретных модулей ввода/вывода, так как они совместимы по выводам. Входным сигналом для модулей вывода является управляющее слово в двоичном последовательном коде, которое проходит через опторазвязку и далее через буфер подается на ЦАП. Функцию посылки этого слова принимает на себя монтажная плата. К 3-му классу рассматриваемого типа УСО можно отнести микроконтроллеры фирмы Grayhill (OptoMux-MicroDAC, ProMux, MicroDAC LT, MicroLon, DeviceNet-DACNet и система OpenLine). Данные микроконтроллеры используют те же модули аналогового/дискретного ввода/вывода и монтажные платы, что и описанные выше. Отличительной чертой микроконтроллеров является то, что их семейства могут быть объединены в сеть и обеспечивать гибкие и недорогие решения при применении РС для управления и сбора данных. Кроме того, непосредственное расположение микроконтроллеров рядом с датчиками и исполнительными механизмами сокращает длину линий и увеличивает помехоустойчивость сети. Они подключаются по интерфейсу RS-422/485 к сетевому серверу, в качестве которого используется промышленный РС или обычный офисный. Коммуникационные модули предназначены для создания информационно-измерительных сетей, для увеличения протяженности линии связи или организации очередного сегмента сети (повторители). Кроме того, к этому типу можно отнести преобразователи интерфейсов RS‑232/RS‑485 и др. Они необходимы для обеспечения связи, например, между измерительной сетью предприятия, построенной на RS-485, и интеллектуальными датчиками, которые, как правило, используют интерфейс RS-232, или радиомодемами. Примером подобных систем являются коммуникационные модули серии ADAM‑4000 фирмы Advantech: ADAM-4510 - повторитель RS-485/RS-485, ADAM-4520 - преобразователь RS-232/RS-422/RS-485, ADAM-4521 - преобразователь RS-232//RS-485, ADAM-4550 - радиомодем с преобразованием RS-485/RS-232. Платы для ввода/вывода данных в РС работают с информацией, которая приходит либо через интерфейсы RS и др. (в случае с платами формирования интерфейсов), либо вводится в РС непосредственно в аналоговом/дискретном виде через платы АЦП. Данные платы устанавливаются непосредственно в слоты ISA (реже IPC) промышленного или обычного офисного РС. Платы АЦП/ЦАП используются непосредственно для ввода измеряемой величины в компьютер и/или для вывода управляющих сигналов. Данные платы, как правило, имеют дополнительно несколько каналов цифрового ввода/вывода. При выборе модулей УСО желательна ориентация на тот интерфейс, на основе которого построена измерительная сеть предприятия, так как в противном случае могут потребоваться модули преобразования интерфейсов. На выбор используемого интерфейса влияет топология сети и протяженность линий связи. Для разветвленных сетей и сетей с протяженными линиями (до 1200 м и более) наиболее подходящим является интерфейс RS-485. Количество устройств, подсоединенных к такой сети, ограничено 255. Выбор интерфейса RS-422 в большинстве случаев нецелесообразен, так как он не имеет широкого распространения. Для небольших локальных сетей с количеством устройств порядка нескольких единиц может быть использован RS-232. Его преимуществом является то, что он встроен во все промышленные и офисные РС и не требует дополнительных устройств. Недостаток - малая протяженность линий связи. Протяженные сигнальные линии от датчиков и исполнительных устройств к центральному контроллеру часто приводят к проблемам, связанными с недостаточной помехоустойчивостью и поиском неисправностей. Модули ввода/вывода серии ADAM-4000 фирмы Advantech наиболее целесообразно применять в распределенных системах сбора данных и прикладной области, для которых характерна невысокая скорость измерения параметров технологического процесса, подлежащих контролю. Функции локального, независимого от контроллера сети, управления представлены ограниченно и часто не удовлетворяют требованиям, выдвигаемым при постановке задачи комплексной автоматизации предприятия. 4.2.3 Аппаратная и программная платформа контроллеров Промышленные контроллеры и компьютеры, расположенные на среднем уровне АСУТП, играют роль управляющих элементов, принимающих цифровую информацию и передающих управляющие сигналы. До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны в нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт», «Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др. В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров. Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытостью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю. Второе важное преимущество их заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала. Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать, что программная надежность будет выше, чем у PLC. Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, были компактны и имели возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти. 4.2.4 Промышленные сети Для организации эффективного управления производственным процессом все его этапы должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между датчиками, контроллерами и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием «промышленные сети» (FieldBus, полевая шина) [27, 44 - 53]. Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, RS485) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия. Сейчас на рынке присутствует около 50 Fieldbus-систем. Системы, являющиеся продуктом только одного производителя, работающие по уникальным протоколам, носят название «закрытых систем» (closed / proprietary systems). Такие системы не обеспечивают совместимость приборов от разных производителей. Требованиям современной организации производства соответствуют «открытые системы» (open systems), которые приведены в соответствие специфичным требованиям всех производителей. Только на основе открытых систем может быть решена задача интеграции изделий разных производителей в одну сеть. Если некоторая fieldbus-технология относится к открытым системам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств: • включаемостью (interconnectivity), то есть возможностью свободного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей; • взаимодействием (interoperability), то есть возможностью построения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков; • взаимозаменяемостью (inter-changeability) - возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других производителей. Fieldbus - это основополагающий термин, определяющий некоторую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4-20 мА-технологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые привода и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и со стороны аналогичных ему устройств. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению. В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня: 1) Field Level - промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению производством, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров; 2) Sensor / actuator Level - задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой исполнительных механизмов. Исторически все промышленные сети являются продуктом эволюции порта RS-232, который предназначался для подключения на двухпроводном шнуре одного периферийного устройства к персональной ЭВМ. Его применение ограничивалось дальностью передачи 15 м, которое удалось снять путем применения токовых петель и низковольтных дифференциальных протоколов RS-422. RS-422 обеспечил полнодуплексный режим (попеременная передача данных в обоих направлениях). Однако связь приемников (10 адресов) обеспечивалась одним передатчиком. Таблица 3.1 - Характеристики стандартных физических интерфейсов Характеристика RS-232C ИРПС RS-422 RS-485 Вид передачи синхр./асинхр. асинхр. синхр./асинхр. синхр./асинхр. Среда передачи витая пара четырех проводная связь 2 инф. линии, 1 линия заземл. витая пара/две витые пары Помехочувствительность свойственная двухпроводной передаче уровень синфазных помех в канале до 3 В Способ кодирования 12 В 40 мА и 20 мА 12В Макс. число приемников / передатчиков на линии 1/1 1/10 32/32 Макс. длина линии (без повторителей), м 15 500 1300 Макс. скорость передачи, Кбод 38,4 6,6 90 90...500 Следующим шагом стало создание серийного протокола RS-485, предполагающего многоточечное подключение (32 адреса). Работая с COM-портом и витой парой, можно выбирать любое из подключенных устройств. Применяя репитеры, можно увеличить количество адресуемых устройств. Скорость передачи по линии заметно падает на максимальных расстояниях (1300 м - до 90 Кбод, 200 м - 500 Кбод). В настоящее время RS‑485 в чистом виде применяется для создания сетей сбора данных и общения с устройствами, для которых не существенны временные параметры (инертные процессы и низкоскоростные устройства). Ограниченные скоростные возможности стандартного COM-порта (115 Кбод) привели к появлению новой сетевой идеологии нижнего уровня. В основе физического слоя (physical layer) практически всех полевых шин лежит протокол RS-485 как электрическое содержание среды передачи, различие состоит в своде правил движения информации. Для дискретных производств больше подходят асинхронные протоколы обмена. Но здесь возникает вопрос о времени отклика устройства и режиме реального времени. Еще необходимо учесть приоритетность запросов от устройств. Для (циклических) непрерывных производств более приемлемыми оказываются синхронные способы передачи. Обновление информации в контроллере осуществляется за фиксированный промежуток времени для самого удаленного узла. Этот режим позволяет работать на больших скоростях, но на ограниченных расстояниях. Синхронизация обеспечивается специальным MASTER-узлом с использованием еще одной дифференциальной пары проводов. MASTER-узел - это логический центр любой топологии. Ведомый узел (SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведущего узла (MASTER). Данный принцип является наиболее распространенной на контроллерном (Field Level) и датчиковом (Sensor / actuator Level) уровнях. Помимо принципа доступа MASTER/SLAVE в некоторых сетях реализован метод CSMA/CD. Здесь каждый блок данных содержит дополнительный идентификатор, который является приоритетом данного сообщения. Каждый узел-приемник выбирает предназначенные для него сообщения. Если вернуться к вопросу о выборе того или иного протокола связи, то здесь однозначного ответа дать нельзя. Выбор должен основываться на специфике следующих признаков: • непрерывность и дискретность процесса; • требование работы в реальном времени (РВ); • разбросанность или сосредоточенность контролируемых точек; • малая (до 2-3 десятков) или большая (до нескольких сот) информационная плотность; • степень электрической и(или) электромагнитной зашумленности; • стоимость варианта. Наиболее распространенными Fieldbus-шинами являются: CAN, LON, PROFIBUS, Interbus, WorldFIP, HART, ASI, ControlNet и др. Характеристики некоторых из них сведены в таблице 3.1 и приложении А. Сравнительная характеристика промышленных сетей приведена в таблице 3.2. Таблица 3.2 - Возможные области применения FieldBus Протокол Непре-рывное пр-во Дис-кретное пр-во Возможность работы в РВ Даль-ность до 3 км Даль-ность свыше 3 км К-во уст-в менее 33 К-во уст-в более 33 Работа в зашумл. зонах BITBUS + + + + + WorldFIP + + + + + CANBUS + + + + LonWorks + + + + HART + + + ASI + + + + + PROFIBUS- FMS + + + + + OP + + + + + + PA + + + + + + INTERBUS-S + + + При выборе коммуникационной технологии можно руководствоваться количественными параметрами (объем передаваемых полезных данных, максимальная длина шины, допустимое число узлов на шине, помехозащищенность и др.), ценовым критерием (затраты в расчете на один узел), популярностью, эффективностью решения задачи, простотой конфигурирования и т. д. При этом улучшение одного параметра может привести к ухудшению другого. [27] 4.3 Программная реализация систем управления 4.3.1 Виды программного обеспечения При решении задач реализации (построения) СУ обычно используются специализированные программные пакеты, которые достаточно условно можно разбить на подмножества: CASE–средства (Computer Aided Software Engineering), предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах (ремиконтах); ОСРВ - операционные системы реального времени: pSOS, VRTX, LynxOS, VxWorks, QNX, OS9 и др. [28, 29]; SCADA–системы (Supervisory Control And Data Acquisition), которые предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП из таких элементов, как микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т. д. и программирования задач, отнесённых к SCADA – уровню; ПТК - программно-технические комплексы: • Spectrum (Foxboro, США); • Intelligent Automation Series (Foxboro, США); • Centum, Yew Series (Yokogawa, Япония); • СКАТ (Россия); ЭСРВ - экспертные систем реального времени, к числу которых относятся: • G2 (фирма Gensym); • RTWorks (Talarian, США); • COMDALE/C (Comdale Tech., Канада); • COGSYS (SC, США); • ILOG Rules (ILOG, Франция); СУБД – системы управления базами данных. MRP-системы (MRP – Material Requirements Planning) - автоматизированное планирование потребности в сырье и материалах для производства; MRP II (Manufacturing Resource Planning) – планирование ресурсов предприятия; ERP-системы (ERP - Enterprise Resource Planning – планирование/управление ресурсами предприятия с точки зрения бизнеса); EAM-системы (EAM - Enterprise Asset Management - управление основными фондами и имуществом). Логика развития АСУТП в нефтегазовой промышленности диктует необходимость интеграции разработок специализированных аппаратно-программых средств, в дальнейшем встроенных систем, применяемых для обработки информации, контроля и управления рассредоточенными по территории объектами. 4.3.2 SCADA-системы Средний уровень (уровень управления по показателям качества продуктов и эффективности производства) может быть реализован с использованием SCADA-систем отечественных и зарубежных производителей, например [29 – 34]: • Trace Mode (AdAstra, Россия); • GENIE (Advantech, Тайвань); • Genesys (Iconics, США); • Real Flex (BJ, США); • FIX (Intellution, США); • Factory Suite, InTouch (Wanderware, США); • Citect (CiTechnologies, США) и др. Перечисленные выше программные продукты предназначены для использования на действующих технологических установках в реальном времени и, следовательно, требуют использования компьютерной техники в промышленном исполнении, отвечающей наиболее жестким требованиям в смысле надежности, стоимости и безопасности. К SCADA-системам предъявляются особые требования [30, 35]: - соответствие нормативам "реального времени" (в т.ч. и "жесткого реального времени"); - способность адаптироваться как к изменениям параметров среды в темпе с этими изменениями, так и к условиям работы информационно-управляющего комплекса; - способность работать в течение всего гарантийного срока без обслуживания (бесперебойная работа годами); - установка в отдаленных и труднодоступных местах (как географически - малообжитые районы, так и технологически - колодцы, эстакады). Основные возможности SCАDA-систем: - сбор первичной информации от устройств нижнего уровня; - архивирование и хранение информации для последующей обработки (создание архивов событий, аварийной сигнализации, изменения технологических параметров во времени, полное или частичное сохранение параметров через определенные промежутки времени); - визуализация процессов; - реализация алгоритмов управления, математических и логических вычислений (имеются встроенные языки программирования типа VBasic, Pascal, C и др.), передача управляющих воздействий на объект; - документирование как технологического процесса, так и процесса управления (создание отчетов), выдача на печать графиков, таблиц, результатов вычислений и др.; - сетевые функции (LAN, SQL); - защита от несанкционированного доступа в систему; - обмен информацией с другими программами (например, Outlook, Word и др. через DDE, OLE и т.д.). Понятие открытости ПО Открытость: аппаратная и программная [27, 30]. Аппаратная открытость – поддержка или возможность работы с оборудованием сторонних производителей. Современная SCADA не ограничивает выбора аппаратуры нижнего уровня, т.к. предоставляет большой выбор драйверов или серверов ввода-вывода. Программная открытость - для программной системы определены и открыты используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней внешние, независимо работающие компоненты, в том числе разработанные отдельно программные и аппаратные модули сторонних производителей. Для подсоединения драйверов ввода-вывода к SCADA используются два механизма: - стандартный динамический обмен данными (DDE – Dynamic Data Exchange и др.), - по внутреннему протоколу, известному только фирме-разработчику. В большинстве SCADA используется DDE, однако из-за ограничений по производительности и надежности он не совсем пригоден для реального времени. Взамен него Microsoft предложила более эффективное средство: OLE (Object Linking and Embeddung – включение и встраивание объектов). Рисунок 3.5 На базе OLE появился новый стандарт OPC (OLE for Process Control), ориентированный на рынок промышленной автоматизации. Новый стандарт позволяет, во-первых, объединять на уровне объектов различные системы управления и контроля, во-вторых, устраняет необходимость использования различного нестандартного оборудования и соответствующих коммуникационных программных драйверов [30]. Варианты обмена SCADA-систем с приложениями и физическими устройствами через ОРС приведены на рисунке 3.5. Типичная последовательность действий при программировании SCADA-системы: 1) Формирование статического изображения рабочего окна: фон, заголовки, мнемосхема процесса и т.д. 2) Формирование динамических объектов каждого окна. Как правило, динамические объекты создаются с помощью специализированного графического редактора самого SCADA-пакета по жестко заданному алгоритму или на основе набора библиотечных элементов с последующим присвоением параметров (например, рукоятка на экране). 3) Описание алгоритмов отображения, управления, архивирования, документирования. Для этого имеются соответствующие встроенные языки программирования. Для программирования контроллеров и SCADA-систем стандартизированы 5 языков программирования (IEC 1131-3) [34, 36 – 39]: - SFC – Sequential Function Diagrams – последовательности функций, блок-схемы; - FBD – Functional Block Diagrams - язык функциональных блоков; - LD – Ledder Diagrams – язык релейных схем; - ST – Structured Text – язык, похожий на Pascal; - IL – Instruction List – язык мнемоник, ассемблер. Литература 1. Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1983. - 424 с. 2. Никитенко Е.А. автоматизация и телеконтроль электрохимической защитой магистральных газопроводов. М.: Недра, 1976. 3. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Учеб. пособ. -М.: Химия, 1982. - 296 с. 4. Теория автоматического управления / Под ред. Нетушила А.В. Ч.1. -М.: Высш. шк., 1968. 5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования. -М.: Наука, 1966. 6. Дадаян Л.Г. Автоматизация технологических процессов: методические указания к курсовому и дипломному проектированию. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1985. - 225 с. 7. Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Л.: Химия, 1988. - 225 с. 8. Стефани Е.П. Основы построения АСУТП: Учеб. пособ. -М.: Энергоиздат, 1982. -352 с. 9. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справочник /Под ред. Кошарского Б.Д. -Изд. 3-е. -Л.: Машиностроение, 1976. -486 с. 10. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учебник. -М.: Химия, 1985. -352 с. 11. Теория автоматического управления: Учебник. В 2-х частях / Под ред. А.А.Воронова. -М.: Высш.шк., 1986. -Ч.1. - 367 с. - Ч.2. -504 с. 12. Аязян Г.К. Расчет автоматических систем с типовыми алгоритмами регулирования: Учеб. пособ. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1986. -135 с. 13. Веревкин А.П., Попков В.Ф. Технические средства автоматизации. Исполнительные устройства: Учеб. пособ. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1996. -95 с. 14. ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации. 15. ГОСТ 21.408-93. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов. 16. Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть.// СТА. -1996. -№ 1. –С. 32 – 35. 17. Кабаев С. SCADA-пакет InTouch в отечественных проектах.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 88 – 90. 18. Христенсен Д. Знакомство со стандартом на языки программирования PLC IEC 1131-3.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 24 – 25. Взято из : Кирюшин О.В. Управление техническими системами: курс лекций. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. – 80 с.