книги / Технические средства автоматизации химических производств

фейсом называют также аппаратный узел, реализующий регламенти­ руемую логику информационного обмена (например, в виде платы печатного монтажа с установленными на ней электронными компонен­ тами и разъемом). Существуют интерфейсы, используемые в одном или нескольких различных агрегатных комплексах. Устройства, выполня­ ющие различные функции и входящие в некоторый агрегатный комп­ лекс, имеют тот или иной интерфейс, чем и обеспечивается их согла­ сованное функционирование в системе.

Агрегатизация и унификация конструкций ТСА. Конструктивно агрегатизация ТСА осуществляется двумя путями: на основе унифи­ цированных иерархических типовых конструкций (конструктивов); на основе базовых конструкций, компонуемых из унифицированных модулей и блоков [4].

Совокупность унифицированных типовых конструкций (УТК) используют на всех комплексах, предназначенных для оснащения промышленных предприятий. В том же конструктивном исполнении выпускают приборы промышленной автоматики, которые по какимлибо причинам не входят в состав агрегатных комплексов.

Вся совокупность УТК разделена на четыре порядка - от нулевого до третьего. Детали нулевого порядка самостоятельно не используют­ ся, их применяют только для компоновки изделий старших порядков. Изделия остальных порядков могут выступать в виде законченных конструкций либо входить в состав изделий как того же, так и более высокого порядка. Всего предусмотрено более 20 унифицированных изделий, три из них являются изделиями нулевого порядка.

Ниже приведен перечень самостоятельных унифицированных изделий, в котором приняты следующие обозначения: А - входимость в изделие более высокого порядка; Б - входимость в изделие того же порядка; В - непосредственное использование изделия:

Самостоятельными изделиями первого порядка являются каркасы частичные приборные, второго - приборные каркасы комплектные и блочные, третьего - пульты, стойки, шкафы, щиты и кожухи. Наиболь­ шее распространение в промышленности получили монтажные вдвиж­

21

ные платы, блочные и комплектные вставные каркасы, контейнеры, кожухи, шкафы, стационарные стойки, столы, секции щитов и пультов.

Агрегатизацию ТСА на основе базовых конструкций осуществляют при разработке приборов, управляющей и вычислительной техники, оборудования для операторских пунктов. При этом базовая конструк­ ция представляет собой определенную комбинацию более мелких модулей, блоков, элементов, имеющих законченное функциональное

и(или) конструктивное оформление. При разработке системы одно­ функциональных модулей (блоков) стремятся минимизировать число элементов и их типоразмеров и исполнений и обеспечить унификацию

исовместимость как по используемым информационным сигналам, так и по конструктивным параметрам.

Унификация информационных сигналов. В Государственной систе­ ме промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) под унифицированным сигналом понимают сигнал дистанционной переда­ чи информации с унифицированными (едиными) параметрами, обес­ печивающий информационное сопряжение или интерфейс между отдельными элементами, блоками, модулями, приборами [5]. В качест­ ве унифицированных параметров сигналов рассматривают: уровень

постоянного или переменного тока или напряжения, частоту пере­

менного тока, давление пневматического или гидравлического агента, код.

В зависимости от вида параметра в ГСП различают четыре группы наиболее распространенных унифицированных сигналов: ток и элек­ трическое напряжение непрерывные; частота электрическая непрерыв­ ная; коды электрические; пневматический (амплитудный) сигнал.

Для каждой группы унифицированных аналоговых сигналов вве­ дены тестированные значения допустимых изменений параметров (табл. 1.1). Кодированные цифровые содержательные сообщения обычно характеризуют числом двоичных разрядов (бит), кратным восьми. Код из 8 бит получил название байт. Передаваемые сообщения имеют чаще всего форматы с фиксированной длиной 1, 2, 3 или 4 байта. Каждый байт может быть дополнен разрядом для передачи служебной информации (контрольная сумма, четность и т.п.). Служебная инфор­ мация, занимающая 1-4 разряда, может передаваться и с каждым форматом (числом). Признаки и содержание служебной информации устанавливают специальными отраслевыми соглашениями или прото­ колами.

Рассмотренные принципы агрегатизации и унификации используют для создания агрегатных комплексов ТСА [5]. Они представляют собой совокупность изделий (приборов, регуляторов, средств вычислитель­ ной техники),связанных между собой по функциональному назначению или области применения, конструктивному оформлению, информа­ ционным сигналам и техническим характеристикам. Агрегатные комплексы приборов, регулирующей и управляющей техники создают преимущественно на основе унифицированных базовых конструкций. В рамках ГСП создано 20 агрегатных комплексов, ориентированных на

22

Таблица 1.1. Параметры унифицированных аналоговых сигналов

автоматизацию технологических процессов, измерение ряда коорди­ нат, автоматизацию научных исследований, передачу и переработку цифровой информации и т.п. Перечень ряда агрегатных комплексов, используемых при автоматизации химических и смежных произ­ водств, приведен в табл. 1.2. Отдельные комплексы электрических и пневматических ТСА рассмотрены в гл. 2, 7, 8, агрегированные средст­ ва вычислительной техники - в гл. 5.

Требования к условиям эксплуатации ТСА. Большинство химичес­ ких производств функционирует в круглосуточном режиме в течение нескольких месяцев, а зачасттую и 1-2 года. В течение этого времени ТСА находятся во включенном (рабочем) состоянии и подвергаются воздействию агрессивных сред, пыли (в том числе и токопроводящей), механических вибраций, электромагнитных полей, колебаний напря­ жения питающей сети электрического тока или пневмоагента, темпера­ туры, влажности и давления окружающей среды. Многие ТОУ химичес­ кой промышленности являются искро-, пожаро- и взрывоопасными.

Нормальное функционирование ТСА химических производств в течение длительного времени в условиях ограничения на численность и квалификацию обслуживающего персонала обеспечивают следую­ щим образом:

нормируют условия эксплуатации ТСА; нормируемые условия должны быть обеспечены при строительстве производственных зданий и установке технологического оборудования;

ТСА разрабатывают и изготовляют так, чтобы они могли успешно функционировать в нормированных условиях;

организуют рациональное обслуживание ТСА.

По ГОСТ 21552-76 климатические условия эксплуатации ТСА разделены на 4 градации. Предельные допустимые значения темпера­ туры и влажности при давлении (8,4-10,6) кПа для каждой из четырех градаций приведены в табл. 1.3. В ней же указаны группы и категории ТСА, предназначенных, согласно ГОСТ 20397-74, для работы в этих условиях*.

*3а нормальные климатические условия эксплуатации по основным группам 1 и 2 приняты: температура окружающего воздуха 20±5 °С; относительная влажность воздуха 65±15% при 30 °С; относительное давление (89—105) кПа.

23

Таблица 1.2. Агрегатные комплексы для автоматизации технологических процессов

Таблица 1.3. Климатические условия эксплуатации ТСА

ипод навесом

Кпервой группе и, соответственно, к категории 4 относят, как правило, внешние запоминающие устройства на магнитных лентах и дисках, а в ряде случаев - центральные обрабатывающие устройства (процессоры, ОЗУ).

Ко второй группе относят основную массу средств вычислительной техники и других агрегатных комплексов. При этом устройства, устанавливаемые в операторских и диспетчерских пунктах, обычно имеют категорию За, а предназначенные для установки в центральных машинных залах - категорию 36.

К третьей группе относят в ряде случаев различное выносное оборудование (коммутаторы, УСО, преобразователи).

Изделия четвертой группы, как правило, в составе агрегатных комплексов не выпускают.

По устойчивости к механическим воздействиям ТСА выпускают в подавляющем большинстве в обыкновенном исполнении, выдержи­ вающими в процессе работы вибрацию с частотой до 25 Гц при ампли­ туде до 0,1 мм.

По устойчивости ТСА к колебаниям параметров питающей сети электрического тока обычно допускают: превышение и снижение напряжения по отношению к номинальному соответственно на 10 и 15%; изменение частоты переменного тока - на± 2%.

По защищенности от агрессивных сред и пыли ТСА 1-й и 2-й групп изготовляют в обыкновенном исполнении; ТСА 3-й и 4-й групп могут быть изготовлены и пыле-, взрыво-, брызго-, водозащищенном, герме­ тичном и защищенном от агрессивной среды исполнениях.

Системы кондиционирования воздуха для изделий 1-й группы должны обеспечивать давление 20-30 Па при кратности воздухообме­ на не менее 3- 4 раз в час. При этом запыленность воздуха в машинных залах должна быть не более 0,75 мг/м*, а в помещениях, где устанав­ ливают внешние запоминающие устройства и хранят магнитные носители, - не более 0,3 мг/м* при максимальном размере частиц до

25

2 мкм. Ограждающие конструкции этих помещений должны обеспечи­ вать защиту от внешних электромагнитных полей с напряженностью электрического поля до 5000 В/м и магнитного поля - до 130 В/м.

Уровень шума, создаваемого ТСА, устанавливаемыми в операторс­ ких пунктах и машинных залах, не должен превышать 70 дб.

Надежность ТСА. Обслуживание ТСА направлено в первую очередь на обеспечение надежности функционирования системы управления. Заданные показатели безотказной работы системы достигаются выбо­ ром характеристик надежности отдельных технических и програм­ мных средств, организацией резервирования и профилактического ремонта (восстановления).

Основной числовой характеристикой надежности технического элемента при широко распространенном экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы служит н а р а б о т к а на отказ, имеющая размерность времени (ч), или обратная ей величи­ н а - интенсивность о т к а з о в (ч“1). Сложнее указать числовую характеристику надежности программных средств, так как законы распределения вероятности безошибочной (или безсбойной) работы программ изучены недостаточно. При использовании сложных прог­ раммных систем, когда при устранении отказов могут возникнуть новые ошибки, надежность программных средств в первом приближе­ нии можно также оценивать и н тен си вн о стью о т к а з о в и наработкой на отказ .

Характеристики надежности ТСА обычно указывают в технических паспортах изделий, однако они существенно зависят от условий эксплуатации и, как правило, нуждаются в уточнении по эксперимен­ тальным данным.

При создании некоторой нерезервированной технической системы требуется подбор входящих в нее элементов (аппаратных или програм­ мных средств) примерно с одинаковыми интенсивностями отказов. Такие нерезервированные системы чаще всего имеют последователь­ ное соединение элементов; например, информационный канал АСУТП состоит из датчика, нормирующего преобразователя, линии связи, коммутатора, кодирующего преобразователя, процессора УВМ и регистратора. Надежность такой системы определяется наиболее ненадежным элементом, что предопределяет необходимость его резервирования.

Различают аппаратурное, информационное, временное и функцио­ нальное резервирование систем автоматизации. А п п а р а т у р н о е р е з е р в и р о в а н и е связано с вводом в состав системы избыточных элементов, находящихся в постоянной работе или в "холодном” резерве и включаемых в действие при отказе системы или какой-либо ее части. Информационное р е з е р в и р о в а н и е основано на дублировании массивов информации, перерабатываемых в АСУТП. При в р е м е н н о м р е з е р в и р о в а н и и принята многократная обра­ ботка данных, позволяющая устранять сбои ЭВМ. При этом способе резервирования требуется повышенное быстродействие УВМ, поэтому

26

он не получил распространения в АСУТП на базе однопроцессорных УВМ. Ф у н к ц и о н а л ь н о е р е з е р в и р о в а н и е , применяемое чаще всего в распределенных АСУТП, предусматривает возможность частич­ ного выполнения отказавшей функции другими программно-техничес­ кими устройствами, предназначенными для реализации собственных функций.

Любой вид резервирования предполагает избыточность программно­ технических средств, увеличение объема памяти и быстродействия ЭВМ, что в целом ведет к увеличению стоимости системы управления. Поэтому затраты на повышение надежности системы путем ее резерви­ рования не должны превышать материальных потерь вследствие отказов ТСА.

Программно-технические средства автоматизации являются восста­ навливаемыми средствами длительного использования. Основными характеристиками систем, состоящих из восстанавливаемых ТСА и

работ (ч). Первые три характеристики зависят от числа и квалифика­ ции ремонтного персонала, приспособленности ТСА к восстановлению, парка запасных частей, деталей, приборов, устройств. Эти характерис­ тики определяют в основном по результатам восстановления и эксплу­ атации ТСА в конкретных производственных условиях.

Рациональная организация процесса эксплуатации ТСА заключается в выборе числа и уровня квалификации ремонтного персонала, перио­ дичности профилактик, объема запасных изделий и приборов, при которых достигается заданное значение коэффициента готовности системы управления ТОУ. Часто финансовые средства, выделяемые на эксплуатацию ТСА, ограничены. В таких ситуациях стремятся макси­ мизировать коэффициент готовности системы управления, соблюдая ограничения на расходы на профилактический ремонт и восстановле­ ние ТСА.

Метрологическое обеспечение систем автоматизации. Метрологичес­ кое обеспечение контроля отдельных координат ТОУ (расхода, темпе­ ратуры, давления, концентрации и т.п.) основано на периодической поверке и аттестации датчиков и вторичных приборов. Для сложных САУ, и тем более АСУТП, метрологическое обеспечение усложняется тем, что в них каждый измерительный канал представляет собой цепочку разнородных ТСА с собственными, иногда зависимыми погрешностями. Кроме того, в АСУТП широко применяют устройства коллективного пользования, которые к тому же составляют лишь часть измерительного канала. Измерительная информация обрабаты­ вается, как правило, по программам в УВМ, где вносятся дополнитель­ но неустранимая ошибка и погрешность округления. Многие алгорит­ мы переработки информации основаны на итерационных процедурах, вносящих дополнительную методическую или вычислительную по­ грешность. Наконец, условия эксплуатации ТСА, часто размещаемых в

27

цехах и на открытых производственных площадках, влияют на точ­ ность измерения и передачи информации. Влияние окружающей среды приводит к тому, что результаты метрологических поверок, выполнен­ ных над ТСА в лабораторных условиях, оказываются недействитель­ ными в условиях эксплуатации.

Указанные трудности привели к тому, что промышленные АСУТП, как правило, не охвачены системой государственного метрологичес­ кого контроля. Лишь некоторые из серийно выпускаемых ТСА, имею­ щих отношение к измерению сигналов, подвергаются метрологичес­ ким испытаниям на заводах-изготовителях. Метрологические харак­ теристики системы в целом не регламентированы; при вводе в эксплу­ атацию конкретной АСУТП ее точность путем соответствующих испы­ таний, как правило, не определяют и в последующем не проверяют.

Для организации метрологического обеспечения АСУТП во вновь разрабатываемых ТСА включают средства встроенного метрологичес­ кого контроля, создают специальную сервисную аппаратуру и програм­ мное обеспечение для автоматизации наиболее трудоемких метроло­ гических испытаний в эксплуатационных условиях, готовят к выпус­ ку нормативную документацию по методическим и организационно­ правовым аспектам указанной проблемы.

Исходными данными для проведения указанных мероприятий служат нормативные документы [6].

Глава 2

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕАНАЛОГОВЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

2.1. Общие сведения об автоматических регуляторах

Типы автоматических регуляторов. Автоматические регуляторы (АР) предназначены для построения локальных АСР, главной задачей которых является поддержание регулируемых координат у{1) на уровне заданийу3(0- Каждый АР преобразует входной сигнале =у - уэ в командное воздействие х(1) в соответствии с тем или иным теорети­ ческим законом регулирования: пропорциональным (П), интегральным (И), пропорционально-интегральным (ПИ), пропорционально-дифферен­ циальным (ПД), пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) и позиционным. Линейные законы описывают следующими передаточными функциями:

где кп> /сд - параметры настройки АР; 5 - комплексная переменная. Теоретические законы регулирования нелинейных позиционных АР

28

имеют следующий вид:

х=*о51ёпе;

прие > Ьили приIеI < Ь,ё < О,

=прие < -Ь или при1е1 < Ь,е > О;

X = О ПриIБI < Й0,

Х=Х0 при Б > Ь ИЛИ при йо < Б < Ь, в < О, Х = - Х 0 при Б < - Ь или при “ Ь< Б < -Ьо,Б > О,

где х$ - максимальное значение выходного сигнала АР; Ь, Ьц - пара­ метры релейного элемента, характеризующие зоны нечувствитель­ ности и возврата (отпускания); Ьц< Ъ.

Теоретические статические характеристики двухпозиционных АР аналогичны приведенным выше, если положить всюду -х§ - 0.

Фактические характеристики реальных АР отличаются от теорети­ ческих. Степень этого отличия зависит от структуры и конструктив­ ного оформления АР.

Степень конструктивного совершенства линейных АР оценивают полосой частот [0, ь)н], внутри которой отличия теоретических и фактических амплитудно-фазовых характеристик регулятора несу­ щественно сказываются на качестве переходных процессов в АСР. Для большинства промышленных АР, предназначенных для автоматизации инерционных ТОУ, величина сон составляет 0,2-2 рад/с.

К современным АР помимо требований близости фактических и теоретических характеристик предъявляют ряд дополнительных эксплуатационных требований [7]: безударное включение регулятора при переходе с дистанционного управления на автоматическое или с внешнего задания на внутреннее (при супервизорном управлении): ограничение командного аналогового сигнала по верхнему и нижнему уровням и сигнализация о достижении этих предельных значений; гальваническое разделение входных и выходных цепей АР; автомати­ ческая коррекция параметров /с^, *с„, /сд для реализации адаптивных законов регулирования.

Электрические АР в зависимости от вида информационного и командного сигнала условно подразделяют на аналоговые, дискрет­ ные и цифровые.

В аналоговых АР все информационные (контрольные) и командные (регулирующие) сигналы непрерывны во времени. Многие аналоговые регуляторы содержат релейные элементы, на базе которых конструи­ руют услилители напряжения и мощности, пускатели электродвигате­ лей. Релейные элементы в электрических АР функционируют с уст­ ройствами обратной связи и исполнительными механизмами постоян­ ной скорости в специальных режимах, называемых скользящими или импульсными. В таких режимах действия нелинейных релейных

29