книги / Разработка концепции и требований к системам управления технологическими процессами. Примеры отдельных технических решений

По характеру движения выходного звена ИМ подразделяются:

•на прямоходные;

•поворотные;

•многооборотные.

По закону движения выходного звена, в зависимости от управляющего сигнала можно выделить ИМ:

•с линейным перемещением (используются для управления регулирующими органами);

•позиционного действия (используются для управления запорными органами).

Виды сигналов автоматизированных систем

Технические средства АСУТП получают значения контролируемых параметров и выдают управляющие воздействия в виде сигналов или в виде кодовых посылок через соответствующие машинные интерфейсы. Сигналы о величине или значении контролируемых параметров формируются средствами контроля (датчиками), основой которых является чувствительный элемент. Сигналы чувствительных элементов обычно преобразуются для передачи на расстояние и использования в качестве входных сигналов технических средств АСУТП.

По временным характеристикам сигналы разделяются:

–на аналоговые;

–дискретные;

–цифровые.

Аналоговый сигнал (рис. 15, а) непрерывно изменяется во времени. Несмотря на то, что аналоговый сигнал может резко изменяться во времени, тем не менее всегда можно найти уровень, который незначительно отличается от предыдущего уровня. Это будет зависеть от выбранного приращения времени ∆t.

Дискретный сигнал (рис. 15, б) характерен представлением информации только в дискретные моменты времени. При этом информация представляется в виде последовательности

61

импульсов одинаковой продолжительности, но различной ампли-

туды – амплитудно-импульсная модуляция сигнала (график 2 на рис. 15, б) или одинаковой амплитуды, но разной продолжитель-

ности – широтно-импульсная модуляция сигнала (график 3 на рис. 15, б). 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.

Цифровой сигнал (рис. 15, в) представляет собой сложную последовательность импульсов, используемую для передачи цифровой информации. В основном цифровые сигналы являются световыми или электрическими импульсами.

Цифровой сигнал является отображением аналогового сигнала с помощью дискретных величин. Он предназначен для цифровой обработки. Вычислительная техника не может напрямую обрабатывать аналоговый сигнал, так как обрабатываемые числа должны иметь конечную длину.

S – исходныйсигнал, SАИ – амплитудно-импульсная модуляциясигнала(АИМ), SШИ – широтно-импульсная модуляциясигнала(ШИМ)

Рис. 15. Схемы формирования сигналов: а – аналогового; б – дискретного; в – цифрового

62

Сигналы могут быть представлены в естественном или унифицированном виде. Естественным сигналом называется сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяются его физическими свойствами и диапазоном изменения измеряемой величины. Вид носителя информации и диапазон изменения унифицированного сигнала не зависят от измеряемой величины и метода измерения. Обычно унифицированный сигнал получают из естественного, с помощью встроенных или внешних нормирующих преобразователей.

Выбор приборов контроля и регулирования осуществляется в рамках государственной системы приборов (ГСП). Государственная система приборов предусматривает преобразование различных измеряемых параметров в единую форму информации, удобную для передачи информации на расстояние. Примеры стандартных унифицированных сигналов приведены в табл. 4.

В современных автоматизированных схемах наибольшее распространение получили пневматические и электрические сигналы регулирования. Пневматическая система регулирования имеет ряд достоинств: взрыво-, пожаробезопасность, про-

63

стота конструкции, низкая стоимость, надежность в работе. Кроме того, она не реагирует на изменения магнитных и радиационных воздействий. Ее недостатками являются сравнительно низкое быстродействие (высокая инерционность), ограниченность дистанционной передачи сигналов, необходимость в сухом, очищенном воздухе. Электрическая система регулирования имеет высокое быстродействие, но это более дорогая система, которая обладает сложной конструкцией.

Вэлектрических системах регулирования аналоговыми сигналами являются ток и напряжение. Ток в контуре, в отличие от напряжения, не зависит от параметров нагрузки (сопротивления кабеля, сопротивления нагрузки, ЭДС помех, напряжения питания источника тока). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Внастоящее время наибольшее распространение получил диапазон «4...20 мА», а для преобразования токового сигнала

внапряжение используют калиброванные сопротивления.

При использовании токового сигнала «4...20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (если ток равен нулю, то это говорит о том, что в токовой цепи обрыв провода) в отличие от варианта «0...20 мА», где величина «0 мА» может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Также преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

Помимо этого, на токовый сигнал может быть наложен частотный сигнал (цифровой протокол, например HART, Brain), который может нести в себе более одной переменной, т.е. несколько параметров, таких как статическое давление, перепад давления, температуру измеряемого параметра, диагностическую информацию. Кроме того, он позволяет осуществлять сбор информации в одном контуре с нескольких датчиков, а также конфигурацию оборудования.

64

Рис. 16. Формирование HART-сигнала

Конкретные типы автоматических устройств выбирают с учетом особенностей объекта регулирования. Например, применение в схемах регулирования электрических приборов гарантирует гораздо меньшее запаздывание и высокую точность измерения.

В качестве примера рассмотрим регулирование температуры за счет изменения расхода хладагента (теплоносителя).

Чувствительным элементом является термометр сопротивления. Он выдает естественный аналоговый сигнал в миллиамперах. Далее для удобства обработки сигнала его подают на нормирующий преобразователь, который преобразует поступающий естественный сигнал в унифицированный сигнал 4…20 мА. Данный унифицированный сигнал удобен для принятия и обработки вторичными приборами (регистраторами, индикаторами) и контроллерами. На рис. 17 показана схема прохождения сигнала измерительной информации от чувствительного элемента до выработки управляющего воздействия.

65

Рис. 17. Пример варианта схемы прохождения сигнала измерительной информации от чувствительного элемента до выработки управляющего воздействия

Контроллер вырабатывает управляющее воздействие (токовый сигнал 4…20 мА). Входным сигналом исполнительного механизма (регулирующего клапана) является пневматический сигнал (давление 0,2...1 кгс/см2). В таких случаях применяются электропневматические преобразователи. На рис. 18 показан пример схемы прохождения управляющего сигнала от контроллера до исполнительного механизма.

Рис. 18. Пример варианта схемы прохождения управляющего сигнала от контроллера до исполнительного механизма

Результаты выбора технических средств, реализующих измерения технологических параметров и управления на объекте, можно оформить в виде заказной спецификации или перечня. Также, по указанию руководителя, выбор может быть оформлен в виде таблицы (пример оформления приведен в табл. 5). Таблицу рекомендуется заполнять, группируя ТСА по измерительным каналам и контурам управления.

66

Таблица 5

Пример оформления таблицы для перечисления выбранных средств автоматизации

67

Окончание табл. 5

Примечание к выполнению ВКР. Предприятие-изготови- тель допускается не указывать. В зависимости от темы и задания выполняемого в ВКР, с учетом указаний руководителя ВКР, выбор технических средств автоматизации может не производиться.

16. Разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса

Завершающим этапом выполнения раздела является разработка функциональной схемы автоматизации, которая выполняется на основании всех ранее разработанных требований к АС. Основным руководящим документом при выполнении схемы автоматизации технологического процесса является ГОСТ 21.404–85 «Обозначения условные приборов и средств автоматизации» и ГОСТ 21408–93 «Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов».

На некоторых предприятиях используются системы автоматизации, разработанные и смонтированные иностранными компаниями. В этих случаях могут использоваться иностранные нормативные документы. Наиболее часто используется стандарт

68

ANSI/ISA-S5.1–1984 «Instrumentation Symbols and Identification»,

признанный международной практикой в качестве основного руководящего документа по идентификации параметров автоматизированных систем управления. ISA, существующее с 1945 года как

«Instrument Society of America», решением Совета общества от21 августа 2000 г., принятом на выставке ЕХРО/2000, переиме-

новано в «Instrumentation, Systems and Automation Society».

Условные обозначения, применяемые на схеме автоматизации согласно ГОСТ 21.404–85, представлены в табл. 6–9 и на рис. 19. На рис. 20 приведен пример условного обозначения прибора для измерения, регистрации и автоматического регулирования перепада давления.

Таблица 6

Основные условные обозначения приборов и средств автоматизации по ГОСТ 21.404–85

Первичный измерительный преобразователь (датчик), прибор, устанавливаемый по месту

Прибор, устанавливаемый на щите

Отборное устройство без постоянно подключенного прибора (служит для эпизодического подключения приборов во время наладки, снятия характеристик и т.п.)

69