Файл: Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 32
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
13 возрастают требования к функциональному разнообразию устройств автоматизации и к разнообразию их технических характеристик и конструктивных особенностей исполнения. Задача уменьшения функционального и конструктивного многообразия при оптимальном удовлетворении запросов автоматизируемых предприятий решается при помощи методов стандартизации.
Решениям по стандартизации всегда предшествуют системные исследования практики автоматизации, типизация имеющихся решений и научное обоснование экономически оптимальных вариантов и возможностей дальнейшего сокращения многообразия применяемых устройств. Принимаемые при этом решения после их практической проверки оформляются обязательными к исполнению государственными стандартами (ГОСТ). Более узкие по сфере применения решения могут оформляться и в виде отраслевых стандартов (ОСТ), а также в виде имеющих еще более ограниченную применимость стандартов предприятий (СТП).
Агрегатирование
– принцип формирования состава серийно изготавливаемых средств автоматизации, направленный на максимальное удовлетворение запросов предприятий–потребителей при ограниченной номенклатуре серийно выпускаемой продукции.
Таким образом, агрегатирование основывается на разложении общей задачи управления на ряд простейших однотипных операций, повторяющихся в тех или иных комбинациях в самых различных системах управления. При анализе большого количества подобных систем управления можно выделить ограниченный набор простейших функциональных составляющих, на комбинации которых строится практически любой вариант АСУТП. В результате формируется состав серийно изготавливаемых средств автоматизации, включающий такие конструктивно завершенные и функционально самостоятельные единицы, как блоки и модули, приборы и механизмы.
В соответствии с принципом агрегатирования системы управления создаются путем монтажа модулей, блоков, приборов и механизмов с последующей коммутацией каналов и линий связи между ними. В свою очередь, сами блоки и приборы создаются также путем монтажа и коммутации различных модулей. Модули же собираются из более простых узлов (микромодулей, микросхем, плат, устройств коммутации и т.п.), составляющих элементную базу технических средств. При этом изготовление блоков, приборов и модулей осуществляется полностью в заводских условиях, в то время как монтаж и коммутация АСУТП полностью завершается лишь на месте ее эксплуатации.
Такой подход к построению блоков и приборов получил название блочно–
модульного принципа исполнения технических средств автоматизации.
14
Применение блочно–модульного принципа не только позволяет проводить широкую специализацию и кооперирование предприятий в рамках отрасли, производящей средства автоматизации, но и ведет к повышению ремонтопригодности и увеличению коэффициентов использования этих средств в системах управления. При этом в рамках отдельного комплекса все блоки и приборы выполняются совместимыми по интерфейсу, т.е. совместимыми по параметрам и характеристикам сигналов–носителей информации, равно как и по конструктивным параметрам и характеристикам устройств коммутации. Принято называть такие комплексы и системы средств автоматизации агрегатными или агрегатированными.
В России производство средств автоматизации промышленного назначения осуществляется в рамках Государственной системы приборов и средств автоматизации промышленного назначения (или сокращенно ГСП). ГСП включает все средства автоматизации, отвечающие единым общим технологическим требованиям к параметрам и характеристикам сигналов–
носителей информации, к характеристикам точности и надежности средств, к их параметрам и особенностям конструктивного исполнения.
Структура комплекса АСУТП.
Рассмотрим типовую структуру комплекса автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП), характерную для различных отраслей промышленного производства.
Эта структура должна содержать следующие подсистемы:
1. Полевое оборудование, включающее в себя интеллектуальные средства измерения, контроля, регулирующие отсечные и запорные клапаны, электроприводы.
2. Кабельные линии связи, кроссовое оборудование.
3. Барьеры искробезопасности, нормирующие преобразователи.
4. Программируемые контроллеры, модули ввода - вывода аналоговых и дискретных сигналов.
5. Операторские станции – компьютеры, устройства на магнитных носителях, мониторы, печатающие устройства и так далее.
6. Кабельные, оптоволоконные и радиоканалы связи.
7. Система пожарной автоматики и контроля загазованности.
8. Система бесперебойного электропитания.
Характеристики элементов регулирования и управления
Статические характеристики отображают связь входных и выходных параметров звеньев в установившемся режиме. Они могут быть заданы аналитически (в виде функциональной зависимости), таблично или графически.
15
Динамические характеристики отображают связь входных и выходных параметров звеньев во времени. Основными динамическими характеристиками являются переходная и импульсная (весовая) характеристики.
Модели динамики звеньев могут быть заданы в виде дифференциальных уравнений. Для линейных звеньев часто в качестве моделей используются передаточные функции
)
s
(
X
)
s
(
X
)
s
(
W
вх вых
, где Х
вх
(s) и Х
вых
(s) – изображения по Лапласу для входных и выходных параметров.
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.
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 конечным 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. Для нелинейных элементов различают:
– статическую чувствительность
16 вх вых
X
X
K
, где Х
вх и Х
вых
– значения входных и выходных параметров; то есть чувствительность элемента эквивалентна его коэффициенту усиления;
– дифференциальную чувствительность вх вых dX
dX
S
; часто под чувствительностью S понимают максимальную чувствительность элемента. Очевидно, что для линейных элементов величины S и К совпадают.
Порог чувствительности
Х
вх
– минимальное изменение значения входной величины, вызывающее изменение выходной величины.
Погрешность. Под погрешностью понимают отклонение реальной статической характеристики от идеальной, либо отклонение статической характеристики элемента от характеристики при отсутствии нагрузки.
Различают погрешности:
1) абсолютную:
Х = Х - Х
0
, где Х - измеренное значение параметра, Х
0
- истинное значение.
Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.
2) относительную:
%
100
Х
Х
0
(выраженные в процентах);
3) относительную приведенную:
%
100
Х
Х
Х
min max
, где Х
min и Х
max
– минимальное и максимальное значения измеряемой величины.
Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:
%
100
Х
Х
Х
min max max
Класс точности прибора измеряется в процентах и отмечается на его шкале и в паспорте. В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные
(образцовые) и рабочие.
Для измерительных приборов установлены классы точности: 0,05; 0,1; 0,2;
0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
17
Лекция №3
Комплексы технических средств, программно-технические комплексы.
Аппаратно-программные средства распределенных САиУ.
Схема структурная комплекса технических средств
УКАЗАНИЯ ГОСТ:
Документ содержит состав комплекса технических средств и связи между этими техническими средствами или группами технических средств, объединенными по каким-либо логическим признакам (например, совместному выполнению отдельных или нескольких функций, одинаковому назначению и т. д.).
При выполнении схем допускается:
1) указывать основные характеристики технических средств;
2) представлять структуру КТС АС (при необходимости) несколькими схемами, первой из которых является укрупненная схема КТС АС в целом.
СХЕМА СТРУКТУРНАЯ КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Рисунок 1: Пример структурной схемы комплекса технических средств:
КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ
ПРИМЕР СОДЕРЖАНИЯ:
18
В состав комплекса технических средств входят следующие технические средства:
– Серверы БД;
– Серверы приложений;
– Сервер системы формирования отчетности;
– Веб сервер;
– ПК пользователей;
– ПК администраторов.
Серверы БД объединены в отказоустойчивый кластер. Связь между серверами БД и хранилищем данных осуществляется по оптическому каналу.
Серверы приложений образуют кластер с балансировкой нагрузки.
Серверы БД, серверы приложений и сервер системы формирования отчетности объединены одной локальной сетью, с пропускной способностью 100 Мбит.
Технические характеристики серверов БД:
– Процессор – не менее двух процессоров Intel Xeon 3 ГГц;
– Объем оперативной памяти – не менее 4 Гб;
– Дисковая подсистема – не менее 72 Гб х 2 с RAID 1;
– Устройство чтения компакт-дисков (DVD-ROM);
– Сетевой адаптер – FastEthernet 100;
– Адаптер Fibre Channel;
– Видеосистема – разрешающая способность не ниже 1024x860 точек;
– Координатно-указательное устройство – манипулятор типа «мышь»;
– Клавиатура – не менее 104 клавиш (русифицированная);
– Монитор – диагональ не менее 15”.
Технические характеристики системы хранения данных:
- т.д.
- пр.
Технические характеристики серверов приложений:
- т.д.
- пр.
Программно-технический
комплекс
(ПТК)
— неразделимая совокупность программных и технических средств, образующая систему телемеханики или АСУТП.
Программная составляющая комплекса включает в себя программное обеспечение для ПЭВМ и контроллеров:
универсальный SCADA-пакет для отображения информации и управления (для ПЭВМ);
драйверы или OPC-серверы для связи с аппаратурой (ПЭВМ);
19
специализированные рабочие места для технических специалистов
(ПЭВМ);
программы для диагностирования и конфигурирования системы
(ПЭВМ);
программы функционирования контроллеров (контроллеры);
тестовое и отладочное программное обеспечение (ПЭВМ и контроллеры).
Программы комплекса тесно взаимодействуют друг с другом и аппаратной частью комплекса. Например, OPC-сервер, функционирующий на ПЭВМ, должен обеспечивать связь с аппаратурой комплекса через один из интерфейсов ПЭВМ по согласованным протоколам с одной стороны, и с программой обработки данных (SCADA-пакетом) по программным интерфейсам, с другой стороны.
Программы конфигурирования контроллеров должны быть согласованы с программами функционирования по совместно используемым структурам данных, и т.п.
К аппаратной части комплекса относятся контроллеры, выполняющие работу по сопряжению с объектом контроля и управления (сбор данных с датчиков и преобразователей), передачу данных по каналам связи на пункт управления системой, прием данных на пункте управления, обработку и передачу данных в ЭВМ. Все современные контроллеры оснащены микропроцессорами, поэтому реализация всех перечисленных функций является программно- аппаратной.
В современных ПТК наблюдается смешение функций. Например, к базовым функциям телемеханики и АСУТП (телесигнализация, телеизмерения, телеуправление) добавляют функции энергоучета, обеспечивают доставку данных от специализированных устройств и дистанционную настройку и т.п. Это позволяет улучшить использование имеющихся каналов связи и расширить функциональность системы в целом.
Технические средства верхнего уровня:
операторские станции, организующие информационное сопровождение и оперативное управление технологическим процессом;
инженерные станции, организующие доступ инженера к программному обеспечению для отладки и тестирования;
промышленный сервер – обеспечивает ввод и обработку информации, формирование алгоритмов управления и вывод управляющих воздействий в схемы управления арматурой и механизмами, накопление в реальном масштабе времени и надежное длительное хранение больших объемов
20 технологической информации, а также доступ к ней с большого числа операторских и инженерных станций.
сетевое оборудование, обеспечивающее передачу информации и управления между станциями и устройствами ПТК;
устройства связи с другими ПТК или АСУ или устройства удаленного доступа.
Программируемый логический контроллер (ПЛК) – микропроцессорное устройство, содержащее в составе один или несколько микропроцессоров, модули памяти, порты ввода/вывода, предназначенное для сбора данных в реальном времени о состоянии технологического процесса, получения информации с датчиков, преобразования ее и обмена с другими компонентами системы автоматизации (компьютер оператора, монитор, база данных и т.д.), а также для автоматического управления ТП, исполнительными механизмами.
Рис. 3.1. Типовая структура системы PLC.
Принцип работы контроллера состоит в выполнении следующего цикла операций:
1. Сбор сигналов с датчиков;
2. Обработка сигналов согласно прикладному алгоритму управления;
3. Выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.
АРМ (автоматизированное рабочее место оператора) - специально оборудованное место для обслуживающего персонала, куда поступает вся информация о технологическом процессе. В ряде случаев оператор может вмешаться в ход процесса и перевести его на ручное управление.
Программный компонент:
21 1)
«логика» (программа, согласно которой САУ реагирует на различные воздействия, как полевого КИП, так и оператора)
2) человеко-машинный интерфейс, мнемосхема – интерактивная визуализация технологического процесса, позволяющая отслеживать состояние
ТП и управлять им в реальном времени с монитора компьютера
22 3) базы данных реального времени и т. д.
23
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
САиУ.
Лекция №4
Технические средства получения информации о состоянии объекта управления, датчики, измерительные преобразователи. ГСП. Назначение, классификация, принципы построения ИП.
Лекция №5
Назначение, основные группы датчиков и физические принципы действия.
Лекция №6
Методы измерения линейных и угловых перемещений. Датчики скорости
(частоты вращения), положения.
Лекция №7
Средства измерения температуры
Лекция №8
Средства измерения давления. Измерение механических усилий, давления и разряжения.
Лекция №9
Измерение расхода пара, газа и жидкости.
Лекция №10
Уровнемеры. Методы и приборы для измерения уровня.
Лекция №11
Измерение электрических величин. Приборы сравнения. Приборы непосредственной оценки.
Лекция №12
Оптоволоконные датчики. Интеллектуальные датчики и измерительные преобразователи.
24
Лекция №4
Технические средства получения информации о состоянии объекта
управления, датчики, измерительные преобразователи. ГСП.
Назначение, классификация, принципы построения ИП.
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.
Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры, давления.
Измерение физической величины — совокупность операций по применению технических средств, хранящих единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины
Принцип измерения — научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при измерении температуры
— термоэлектрический эффект.
Метод измерения — логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства.
Мерой несовершенства измерения является погрешность его результата, которая количественно оценивается отклонением результата измерения величины от ее истинного (действительного) значения.
По способу выражения различают абсолютную и относительную
погрешности. Абсолютная погрешность А
х определяется как алгебраическая разность между измеренным и истинным (действительным) значением величины:
А
Х
= Х
изм
— Х
ист
Относительная погрешность равна отношению абсолютной погрешности измерения к истинному значению величины:
δ
х
= А
х
/ х
ист
А
х
/ х
изм
.
Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины, относительная погрешность безразмерна.
Средство измерений — обобщающее понятие, охватывающее объекты, предназначенные для выполнения измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и хранящие участок шкалы или единицу величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средство
25 измерений реализует одну из двух функций: воспроизводит величину заданного размера или вырабатывает сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины.
Самыми распространенными средствами измерений являются
измерительные приборы, предназначенные для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала измерительной информации.
Измерительный
преобразователь
— техническое средство, предназначенное для преобразования информации об измеряемой величине в сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейшего преобразования, индикации или передачи (по не поддающийся непосредственному восприятию) и имеющий нормированные метрологические характеристики. Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования — выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования ИП (его статической характеристикой). Выходная величина, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным преобразователям относят термопары, измерительные трансформаторы тока, измерительные усилители и другие устройства.
Поверка средства измерений — это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.
Калибровка — совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного СИ, и соответствующим значением величины, определенным с помощью рабочего эталона.
Одним из вариантов поверки (или калибровки) является градуировка — экспериментальное определение градуировочной характеристики СИ, т. е. установление соответствия между входным сигналом измерительной информации и показанием прибора. При градуировке либо размечается шкала показаний прибора, либо определяются поправки к каждому делению шкалы.
Государственная система приборов и средств автоматизации
промышленного назначения
Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации, совокупность устройств получения, передачи, хранения, обработки и представления информации о состоянии и ходе различных процессов и выработки управляющих воздействий на них. ГСП состоит из
26 унифицированных элементов, модулей и блоков, допускающих информационное, энергетическое и конструктивное сопряжение в агрегатных комплексах и автоматизированных системах управления. В ГСП входят электрические, пневматические и гидравлические приборы и устройства в обыкновенном, виброустойчивом, герметичном, пыле- и влагозащищённом исполнении.
К устройствам получения и первичного преобразования информации относятся датчики, кнопки, формирующие сигналы для передачи на расстояние.
Передача информации осуществляется либо непосредственно через каналы связи
(при небольших дистанциях или специально выделенных каналах связи), либо через устройства телемеханики (на большие расстояния). Передача сигналов от многих источников в одно место достигается при помощи устройств централизованного контроля.
К средствам представления информации относятся показывающие стрелочные, цифровые, символьные и др. индикаторы, самопишущие приборы, печатающие устройства и графопостроители. Для лучшего восприятия широко применяется метод визуального контроля с помощью устройств отображения информации, промышленного телевидения, мнемонических схем.
Выработка управляющих воздействий достигается регулирующими устройствами (регуляторами). Регулятор, получая сигналы непосредственно от датчика или через устройство централизованного контроля, вырабатывает в соответствии с заданной программой и законом регулирования энергетические импульсы, приводящие в действие исполнительный механизм, который через регулирующие органы (коммутирующую аппаратуру, управляемые вентили, клапаны, заслонки, задвижки) изменяет потоки энергии или вещества и этим воздействует на объект регулирования.
Устройства
ГСП взаимодействуют посредством нормированных электрических, пневматических, гидравлических, механических, акустических и оптических сигналов. По виду сигналов устройства ГСП делятся на аналоговые и дискретные. Устройства ГСП имеют нормированные источники питания. Этим достигается высокая взаимозаменяемость изделий ГСП. Унификация конструкций
ГСП повышает технологичность изделий в производстве, упрощает их комплектацию, монтаж, наладку и эксплуатацию.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 13
15
Динамические характеристики отображают связь входных и выходных параметров звеньев во времени. Основными динамическими характеристиками являются переходная и импульсная (весовая) характеристики.
Модели динамики звеньев могут быть заданы в виде дифференциальных уравнений. Для линейных звеньев часто в качестве моделей используются передаточные функции
)
s
(
X
)
s
(
X
)
s
(
W
вх вых
, где Х
вх
(s) и Х
вых
(s) – изображения по Лапласу для входных и выходных параметров.
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.
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 конечным 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. Для нелинейных элементов различают:
– статическую чувствительность
16 вх вых
X
X
K
, где Х
вх и Х
вых
– значения входных и выходных параметров; то есть чувствительность элемента эквивалентна его коэффициенту усиления;
– дифференциальную чувствительность вх вых dX
dX
S
; часто под чувствительностью S понимают максимальную чувствительность элемента. Очевидно, что для линейных элементов величины S и К совпадают.
Порог чувствительности
Х
вх
– минимальное изменение значения входной величины, вызывающее изменение выходной величины.
Погрешность. Под погрешностью понимают отклонение реальной статической характеристики от идеальной, либо отклонение статической характеристики элемента от характеристики при отсутствии нагрузки.
Различают погрешности:
1) абсолютную:
Х = Х - Х
0
, где Х - измеренное значение параметра, Х
0
- истинное значение.
Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.
2) относительную:
%
100
Х
Х
0
(выраженные в процентах);
3) относительную приведенную:
%
100
Х
Х
Х
min max
, где Х
min и Х
max
– минимальное и максимальное значения измеряемой величины.
Максимальная приведенная погрешность называется классом точности:
%
100
Х
Х
Х
min max max
Класс точности прибора измеряется в процентах и отмечается на его шкале и в паспорте. В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные
(образцовые) и рабочие.
Для измерительных приборов установлены классы точности: 0,05; 0,1; 0,2;
0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
17
Лекция №3
Комплексы технических средств, программно-технические комплексы.
Аппаратно-программные средства распределенных САиУ.
Схема структурная комплекса технических средств
УКАЗАНИЯ ГОСТ:
Документ содержит состав комплекса технических средств и связи между этими техническими средствами или группами технических средств, объединенными по каким-либо логическим признакам (например, совместному выполнению отдельных или нескольких функций, одинаковому назначению и т. д.).
При выполнении схем допускается:
1) указывать основные характеристики технических средств;
2) представлять структуру КТС АС (при необходимости) несколькими схемами, первой из которых является укрупненная схема КТС АС в целом.
СХЕМА СТРУКТУРНАЯ КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Рисунок 1: Пример структурной схемы комплекса технических средств:
КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ
ПРИМЕР СОДЕРЖАНИЯ:
18
В состав комплекса технических средств входят следующие технические средства:
– Серверы БД;
– Серверы приложений;
– Сервер системы формирования отчетности;
– Веб сервер;
– ПК пользователей;
– ПК администраторов.
Серверы БД объединены в отказоустойчивый кластер. Связь между серверами БД и хранилищем данных осуществляется по оптическому каналу.
Серверы приложений образуют кластер с балансировкой нагрузки.
Серверы БД, серверы приложений и сервер системы формирования отчетности объединены одной локальной сетью, с пропускной способностью 100 Мбит.
Технические характеристики серверов БД:
– Процессор – не менее двух процессоров Intel Xeon 3 ГГц;
– Объем оперативной памяти – не менее 4 Гб;
– Дисковая подсистема – не менее 72 Гб х 2 с RAID 1;
– Устройство чтения компакт-дисков (DVD-ROM);
– Сетевой адаптер – FastEthernet 100;
– Адаптер Fibre Channel;
– Видеосистема – разрешающая способность не ниже 1024x860 точек;
– Координатно-указательное устройство – манипулятор типа «мышь»;
– Клавиатура – не менее 104 клавиш (русифицированная);
– Монитор – диагональ не менее 15”.
Технические характеристики системы хранения данных:
- т.д.
- пр.
Технические характеристики серверов приложений:
- т.д.
- пр.
Программно-технический
комплекс
(ПТК)
— неразделимая совокупность программных и технических средств, образующая систему телемеханики или АСУТП.
Программная составляющая комплекса включает в себя программное обеспечение для ПЭВМ и контроллеров:
универсальный SCADA-пакет для отображения информации и управления (для ПЭВМ);
драйверы или OPC-серверы для связи с аппаратурой (ПЭВМ);
19
специализированные рабочие места для технических специалистов
(ПЭВМ);
программы для диагностирования и конфигурирования системы
(ПЭВМ);
программы функционирования контроллеров (контроллеры);
тестовое и отладочное программное обеспечение (ПЭВМ и контроллеры).
Программы комплекса тесно взаимодействуют друг с другом и аппаратной частью комплекса. Например, OPC-сервер, функционирующий на ПЭВМ, должен обеспечивать связь с аппаратурой комплекса через один из интерфейсов ПЭВМ по согласованным протоколам с одной стороны, и с программой обработки данных (SCADA-пакетом) по программным интерфейсам, с другой стороны.
Программы конфигурирования контроллеров должны быть согласованы с программами функционирования по совместно используемым структурам данных, и т.п.
К аппаратной части комплекса относятся контроллеры, выполняющие работу по сопряжению с объектом контроля и управления (сбор данных с датчиков и преобразователей), передачу данных по каналам связи на пункт управления системой, прием данных на пункте управления, обработку и передачу данных в ЭВМ. Все современные контроллеры оснащены микропроцессорами, поэтому реализация всех перечисленных функций является программно- аппаратной.
В современных ПТК наблюдается смешение функций. Например, к базовым функциям телемеханики и АСУТП (телесигнализация, телеизмерения, телеуправление) добавляют функции энергоучета, обеспечивают доставку данных от специализированных устройств и дистанционную настройку и т.п. Это позволяет улучшить использование имеющихся каналов связи и расширить функциональность системы в целом.
Технические средства верхнего уровня:
операторские станции, организующие информационное сопровождение и оперативное управление технологическим процессом;
инженерные станции, организующие доступ инженера к программному обеспечению для отладки и тестирования;
промышленный сервер – обеспечивает ввод и обработку информации, формирование алгоритмов управления и вывод управляющих воздействий в схемы управления арматурой и механизмами, накопление в реальном масштабе времени и надежное длительное хранение больших объемов
20 технологической информации, а также доступ к ней с большого числа операторских и инженерных станций.
сетевое оборудование, обеспечивающее передачу информации и управления между станциями и устройствами ПТК;
устройства связи с другими ПТК или АСУ или устройства удаленного доступа.
Программируемый логический контроллер (ПЛК) – микропроцессорное устройство, содержащее в составе один или несколько микропроцессоров, модули памяти, порты ввода/вывода, предназначенное для сбора данных в реальном времени о состоянии технологического процесса, получения информации с датчиков, преобразования ее и обмена с другими компонентами системы автоматизации (компьютер оператора, монитор, база данных и т.д.), а также для автоматического управления ТП, исполнительными механизмами.
Рис. 3.1. Типовая структура системы PLC.
Принцип работы контроллера состоит в выполнении следующего цикла операций:
1. Сбор сигналов с датчиков;
2. Обработка сигналов согласно прикладному алгоритму управления;
3. Выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.
АРМ (автоматизированное рабочее место оператора) - специально оборудованное место для обслуживающего персонала, куда поступает вся информация о технологическом процессе. В ряде случаев оператор может вмешаться в ход процесса и перевести его на ручное управление.
Программный компонент:
21 1)
«логика» (программа, согласно которой САУ реагирует на различные воздействия, как полевого КИП, так и оператора)
2) человеко-машинный интерфейс, мнемосхема – интерактивная визуализация технологического процесса, позволяющая отслеживать состояние
ТП и управлять им в реальном времени с монитора компьютера
22 3) базы данных реального времени и т. д.
23
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
САиУ.
Лекция №4
Технические средства получения информации о состоянии объекта управления, датчики, измерительные преобразователи. ГСП. Назначение, классификация, принципы построения ИП.
Лекция №5
Назначение, основные группы датчиков и физические принципы действия.
Лекция №6
Методы измерения линейных и угловых перемещений. Датчики скорости
(частоты вращения), положения.
Лекция №7
Средства измерения температуры
Лекция №8
Средства измерения давления. Измерение механических усилий, давления и разряжения.
Лекция №9
Измерение расхода пара, газа и жидкости.
Лекция №10
Уровнемеры. Методы и приборы для измерения уровня.
Лекция №11
Измерение электрических величин. Приборы сравнения. Приборы непосредственной оценки.
Лекция №12
Оптоволоконные датчики. Интеллектуальные датчики и измерительные преобразователи.
24
Лекция №4
Технические средства получения информации о состоянии объекта
управления, датчики, измерительные преобразователи. ГСП.
Назначение, классификация, принципы построения ИП.
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.
Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры, давления.
Измерение физической величины — совокупность операций по применению технических средств, хранящих единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины
Принцип измерения — научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при измерении температуры
— термоэлектрический эффект.
Метод измерения — логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства.
Мерой несовершенства измерения является погрешность его результата, которая количественно оценивается отклонением результата измерения величины от ее истинного (действительного) значения.
По способу выражения различают абсолютную и относительную
погрешности. Абсолютная погрешность А
х определяется как алгебраическая разность между измеренным и истинным (действительным) значением величины:
А
Х
= Х
изм
— Х
ист
Относительная погрешность равна отношению абсолютной погрешности измерения к истинному значению величины:
δ
х
= А
х
/ х
ист
А
х
/ х
изм
.
Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины, относительная погрешность безразмерна.
Средство измерений — обобщающее понятие, охватывающее объекты, предназначенные для выполнения измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и хранящие участок шкалы или единицу величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средство
25 измерений реализует одну из двух функций: воспроизводит величину заданного размера или вырабатывает сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины.
Самыми распространенными средствами измерений являются
измерительные приборы, предназначенные для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала измерительной информации.
Измерительный
преобразователь
— техническое средство, предназначенное для преобразования информации об измеряемой величине в сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейшего преобразования, индикации или передачи (по не поддающийся непосредственному восприятию) и имеющий нормированные метрологические характеристики. Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования — выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования ИП (его статической характеристикой). Выходная величина, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным преобразователям относят термопары, измерительные трансформаторы тока, измерительные усилители и другие устройства.
Поверка средства измерений — это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.
Калибровка — совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного СИ, и соответствующим значением величины, определенным с помощью рабочего эталона.
Одним из вариантов поверки (или калибровки) является градуировка — экспериментальное определение градуировочной характеристики СИ, т. е. установление соответствия между входным сигналом измерительной информации и показанием прибора. При градуировке либо размечается шкала показаний прибора, либо определяются поправки к каждому делению шкалы.
Государственная система приборов и средств автоматизации
промышленного назначения
Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации, совокупность устройств получения, передачи, хранения, обработки и представления информации о состоянии и ходе различных процессов и выработки управляющих воздействий на них. ГСП состоит из
26 унифицированных элементов, модулей и блоков, допускающих информационное, энергетическое и конструктивное сопряжение в агрегатных комплексах и автоматизированных системах управления. В ГСП входят электрические, пневматические и гидравлические приборы и устройства в обыкновенном, виброустойчивом, герметичном, пыле- и влагозащищённом исполнении.
К устройствам получения и первичного преобразования информации относятся датчики, кнопки, формирующие сигналы для передачи на расстояние.
Передача информации осуществляется либо непосредственно через каналы связи
(при небольших дистанциях или специально выделенных каналах связи), либо через устройства телемеханики (на большие расстояния). Передача сигналов от многих источников в одно место достигается при помощи устройств централизованного контроля.
К средствам представления информации относятся показывающие стрелочные, цифровые, символьные и др. индикаторы, самопишущие приборы, печатающие устройства и графопостроители. Для лучшего восприятия широко применяется метод визуального контроля с помощью устройств отображения информации, промышленного телевидения, мнемонических схем.
Выработка управляющих воздействий достигается регулирующими устройствами (регуляторами). Регулятор, получая сигналы непосредственно от датчика или через устройство централизованного контроля, вырабатывает в соответствии с заданной программой и законом регулирования энергетические импульсы, приводящие в действие исполнительный механизм, который через регулирующие органы (коммутирующую аппаратуру, управляемые вентили, клапаны, заслонки, задвижки) изменяет потоки энергии или вещества и этим воздействует на объект регулирования.
Устройства
ГСП взаимодействуют посредством нормированных электрических, пневматических, гидравлических, механических, акустических и оптических сигналов. По виду сигналов устройства ГСП делятся на аналоговые и дискретные. Устройства ГСП имеют нормированные источники питания. Этим достигается высокая взаимозаменяемость изделий ГСП. Унификация конструкций
ГСП повышает технологичность изделий в производстве, упрощает их комплектацию, монтаж, наладку и эксплуатацию.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 13
Унификация средств автоматизации.
Унификация – сопутствующий агрегатированию метод стандартизации, также направленный на упорядочение и разумное сокращение состава серийно изготовляемых средств автоматизации. Она направлена на ограничение многообразия параметров и технических характеристик, принципов действия и схем, а также конструктивных особенностей исполнения средств автоматизации.
27
Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме представления информации. В рамках ГСП применяются в серийном производстве средств автоматизации следующие типы сигналов:
- электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического тока);
- пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);
- гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).
Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая, пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации.
Наиболее развитой ветвью средств автоматизации является электрическая.
Развитие пневматической ветви ограничивается относительно низкой скоростью преобразования и передачи пневматических сигналов. В области автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств пневматические средства находились долгое время вне конкуренции. Гидравлическая ветвь средств ГСП не получила широкого развития.
По форме представления информации сигнал может быть аналоговым, импульсным и кодовым.
Аналоговый сигнал характеризуется текущими изменениями какого–либо физического параметра–носителя
(например, мгновенными значениями электрического напряжения или тока). Такой сигнал существует практически в каждый данный момент времени и может принимать любые значения в пределах заданного диапазона изменений параметра.
Импульсный сигнал характерен представлением информации только в дискретные моменты времени, т.е. наличием квантования по времени. При этом информация представляется в виде последовательности импульсов одинаковой продолжительности, но различной амплитуды
(амплитудно-импульсная модуляция сигнала) или одинаковой амплитуды, но разной продолжительности
(широтно-импульсная модуляция сигнала). Амплитудно-импульсная модуляция
(АИМ) сигнала применяется в тех случаях, когда значения физического параметра–носителя информации могут изменяться со временем. Широтно- импульсная модуляция (ШИМ) сигнала используется, если физический параметр–
носитель информации может принимать лишь некоторое постоянное значение.
Кодовый сигнал представляет собой сложную последовательность импульсов, используемую для передачи цифровой информации. При этом каждая цифра может быть представлена в виде сложной последовательности импульсов, т.е. кода, а передаваемый сигнал является дискретным (квантуется) и по времени, и по уровню.
28
Все параметры и характеристики сигналов–носителей информации в средствах ГСП унифицированы. Стандартами предусматривается использование в аналоговых средствах следующих видов электрических сигналов:
- сигнал по изменению силы постоянного тока (токовый сигнал);
- сигнал по изменению напряжения постоянного тока;
- сигнал по изменению напряжения переменного тока;
- частотный электрический сигнал.
Сигналы постоянного тока используются чаще. При этом токовый сигнал (с большим внутренним сопротивлением источника) применяется для передачи информации в относительно длинных линиях связи.
Сигналы переменного тока редко используются для преобразования и передачи информации во внешних линиях связи. Это связано с тем, что при сложении и вычитании сигналов переменного тока необходимо выполнить требование синфазности, а также обеспечить подавление нелинейных искажений гармоник тока. В то же время при использовании этого сигнала легко реализуются задачи гальванического разделения электрических цепей.
Электрический частотный сигнал является потенциально наиболее помехоустойчивым аналоговым сигналом. В то же время получение и осуществление линейных преобразований этого сигнала вызывает затруднения.
Поэтому частотный сигнал не получил широкого распространения.
Для каждого вида сигналов установлен ряд унифицированных диапазонов их изменений.
Стандарты на виды и параметры сигналов унифицируют систему внешних связей или интерфейс средств автоматизации. Такая унификация, дополненная стандартами на устройства коммутации блоков друг с другом (в виде системы разъемов), создает предпосылки для максимального упрощения проектирования, монтажа, коммутации и наладки технических средств систем управления. При этом блоки, приборы и прочие устройства с одинаковым типом и диапазоном параметров сигналов на входах–выходах стыкуются путем простого соединения разъемов.
Унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания означает, что сигналы, используемые прибором (напряжение питания, выходной ток и т.д.) должны соответствовать общепризнанному стандарту. Этот принцип делает возможной взаимозаменяемость приборов.
Стандартом определены унифицированные электрические сигналы:
- напряжение питания прибора: 12 В постоянного тока, 220 В переменного тока частотой 50 Гц и др.;
- токовые сигналы постоянного тока с диапазонами 0 … 5 мА, 0 … 20 мА,
4… 20 мА и др.;
29
- сигналы напряжения постоянного тока с диапазонами 0 … 1 В, 0 … 10 В и др.
Токовые сигналы и сигналы напряжения используются для передачи значений измеренных физических величин. Величины данных токов и напряжений изменяются в пределах указанных диапазонов в соответствии с изменениями измеряемых величин.
Недостатком сигналов напряжения являются потери сигнала при передаче на большие расстояния.
Из перечисленных сигналов в современных системах управления наибольшее распространение получил токовый сигнал с диапазоном 4…10 мА, поскольку при передаче на расстояние величина тока не изменяется. Величина тока ограничена снизу величиной 4 мА в целях диагностики линии передачи и измерительных приборов. Если прибор, рассчитанный на данный диапазон, генерирует сигнал меньший 4 мА, то это позволяет сделать вывод о неисправности прибора или линии передачи.
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.
Назначение, классификация, принципы построения ИП.
Измерительный преобразователь — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
Классификация
По характеру преобразования:
Аналоговый измерительный преобразователь
— измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.
По месту в измерительной цепи:
