В общем виде структурная схема одноконтурной системы автоматического управления представлена на рисунке 1.1. Система автоматического управления состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом. Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и схемой управления система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующий его выходными параметрами и характеристиками.
Всякий технологический процесс характеризуется определенными физическими величинами (параметрами). Для рационального хода технологического процесса некоторые его параметры требуется поддерживать постоянными, а некоторые изменять по определенному закону. При работе объекта, управляемого системой автоматизации, в основном ставится задача поддержания рациональных условий протекания технологического процесса.
Рассмотрим основные принципы построения структур локальных автоматических систем регулирования. При автоматическом регулировании решаются, как правило, задачи трех типов.
К первому типу задач относится поддержание на заданном уровне одного или нескольких технологических параметров. Автоматические системы регулирования, решающие задачи такого типа, называют системами стабилизации. Примерами систем стабилизации могут служить системы регулирования температуры и влажности воздуха в установках кондиционирования воздуха, давления и температуры перегретого пара в котлоагрегатах, числа оборотов в паровых и газовых турбинах, электродвигателях и т.п..
Ко второму типу задач относится поддержание соответствия между двумя зависимыми или одной зависимой и другими независимыми величинами. Системы, регулирующие соотношения, получили название следящих автоматических систем, например автоматические системы регулирования соотношения «топливо - воздух» в процессе сжигания топлива или соотношения «расход пара – расход воды» при питании котлов водой и др.
К третьему типу задач относится изменение регулируемой величины во времени по определенному закону. Системы, решающие этот тип задач, называют системами программного регулирования. Характерным примером такого типа систем является система управления температурным режимом при термической обработке металла.
В последние годы широко применяют экстремальные (поисковые) автоматические системы, обеспечивающие максимальный положительный эффект функционирования технологического объекта при минимальных затратах сырья, энергии и т.п.
Совокупность технических средств, с помощью которых одну или несколько регулируемых величин без участия человека-оператора приводят в соответствие с их постоянными или изменяющимися по определенному закону заданными значениями путем выработки воздействия на регулируемые величины в результате сравнения их действительных значений с заданными, называют автоматической системой регулирования (АСР) или автоматической системой управления. Из определения следует, что в общем случае в состав простейшей АСР должны входить следующие элементы:
объект управления (ОУ), характеризующийся регулируемой величиной х n . x(t);
измерительное устройство (ИУ), измеряющее регулируемую величину и преобразующее ее в форму, удобную для дальнейшего преобразования либо для дистанционной передачи;
задающее устройство (ЗУ), в котором устанавливается сигнал уставки, определяющий заданное значение или закон изменения регулируемой величины;
сравнивающее устройство (СУ), в котором действительное значение регулируемой величины х сравнивается предписанным значением g(t) и,
выявляется отклонение (g(t)- x(t));
регулирующее устройство (РУ), вырабатывающее при поступлении на его вход отклонения (ε) регулирующее воздействие, которое необходимо подать на объект регулирования, чтобы устранить имеющееся отклонение регулируемой величины х от предписанного значения g(t);
исполнительный механизм (ИМ). На выходе РУ регулирующее воздействие имеет небольшую мощность и, выдается в форме, не пригодной в общем случае для непосредственного воздействия на объект регулирования. Требуется либо усиление регулирующего воздействия, либо преобразования в удобную форму х р. Для этого применяют специальные исполнительные механизмы, являющиеся исполнительными выходными устройствами регулирующего элемента;
регулирующий орган (РО). Исполнительные механизмы не могут непосредственно воздействовать на регулируемую величину. Поэтому объекты регулирования снабжают специальными регулирующими органами РО, через которые ИМ воздействует на регулируемую величину;
линии связи, через которые сигналы передаются от элемента к элементу в автоматической системе.
В качестве примера рассмотрим укрупненную структурную схему автоматического управления (рисунок 1.1). На схеме выходные параметры -результат работы управляемого объекта, обозначены х 1 , х 2 , ………х n . Кроме этих основных параметров, работа объектов автоматизации характеризуется рядом вспомогательными параметрами (у 1 , у 2 ,…….у n), которые должны контролироваться и регулироваться, например, поддерживаться постоянными.
Рисунок 1.1. Структурная схема автоматического управления
В процессе работы на объект управления поступают возмущающие воздействия f1 …. fn, вызывающие отклонения параметров х1…….хn от их рациональных значений. Информация о текущих значениях х тек и у тек поступает в систему управления и сравнивается с их предписанными значениями (уставками) g1…… gn, в результате чего система управления оказывает управляющие воздействия Е1…..Еn на объект, направленные на компенсацию отклонений текущих выходных параметров от заданных значений.
По структуре системы автоматического управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрализованными и многоуровневыми. При этом одноуровневыми системами управления называют системы, в которых управление объектом осуществляется из одного пункта управления или из нескольких самостоятельных. Одноуровневые системы, в которых управление осуществляется из одного пункта управления, называют централизованными. Одноуровневые системы, в которых отдельные части сложного объекта управляются из самостоятельных пунктов управления, называют децентрализованными.
2.2 Функционально – технологические схемы автоматического управления
Функционально-технологическая схема – основной технический документ, определяющий функционально-блочную структуру приборов узлов и элементов системы автоматического управления, регулирования технологического процесса (операций) и контроля его параметров, а также оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации. Также схемы часто называют просто схемами автоматизации. Состав и правила выполнения диктуются требованиями стандартов (см. гл.1).
Функционально-технологическую схему автоматизации выполняют на одном чертеже, на котором условными обозначениями изображены технологическое оборудование, транспортные линии и трубопроводы, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации с указанием связей между ними. Вспомогательные устройства (источники питания, реле, автоматы, выключатели, предохранители и т.п.) на схемах не показывают.
Функциональные схемы автоматизации связаны с технологией производства и технологическим оборудованием, поэтому на схеме показывают размещение технологического оборудования упрощенно, без соблюдения масштаба, но с учетом действительной конфигурации.
Кроме технологического оборудования на функциональных схемах автоматизации в соответствии со стандартами упрощенно (двухлинейное) и условно (однолинейное) изображают транспортные линии различного назначения.
Как построение так и изучение схем технической документации надо вести в определенной последовательности.
Параметры технологического процесса, которые подлежат автоматическому контролю и регулированию;
Функциональную структуру управления;
Контуры регулирования;
Наличие защиты и аварийной сигнализации и принятую блокировку механизмов;
Организацию пунктов контроля и управления;
Технические средства автоматизации, с помощью которых решаются функции контроля, сигнализации, автоматического регулирования и управления.
Для этого, необходимо знать принципы построения систем автоматического управления технологического контроля и условные изображения технологического оборудования, трубопроводов, приборов и средств автоматизации, функциональных связей между отдельными приборами и средствами автоматизации и иметь представление о характере технологического процесса и взаимодействии отдельных установок и агрегатов технологического оборудования.
На функциональной схеме линии коммуникации и трубопроводы чаще показывают в однолинейном изображении. Обозначение транспортируемой среды может быть как цифровым, так и буквенно-цифровым. (Например: 1.1 или В1). Первая цифра или буква указывает вид транспортируемой среды, а последующая цифра – ее назначение. Цифровые или буквенно-цифровые обозначения представляют на полках линий-выносок или над транспортной линией (трубопровода), а в необходимых случаях – в разрывах транспортной линий (при этом принятые обозначения поясняют на чертежах или в текстовых документах (см.таблицу 1.1.). На технологических объектах показывают ту регулирующую и запорную арматуру, технологические аппараты, которые непосредственно участвуют в контроле и управлении процессом, а также отборные (датчики), запорные и регулирующие органы, необходимые для определения относительного расположения мест отбора (мест установки датчиков), также измерения или контроля параметров (см. табл.1.2).
Комплектные устройства (машины централизованного контроля, управляющие машины, полукомплекты телемеханики и т.п.) обозначают прямоугольником произвольных размеров с указанием внутри прямоугольника типа устройства (по документации завода - изготовителя).
В отдельных случаях некоторые элементы технологического оборудования также изображают на схемах в виде прямоугольников с указанием наименования этих элементов. При этом около датчиков, отборных, приемных и других, подобных по назначению устройств указывают наименование того технологического оборудования, к которому они относятся.
Таблица 1.1. Обозначение транспортных линий трубопроводов по ГОСТ 14.202 – 69
| Содержимое транспортных линий (трубопроводов) | Условное Цифровое и буквенное обозначение | Обозначение в цвете |
| Жидкость или газ (общее) | - | Красный, желтый |
| Вода Пар Воздух Кислород | - 1.1 - 1.0 - - 2.1 - 2.0 - - 3.1 - 3.6 - - 3 - 7 - | Зеленый Розовый Голубой Синий |
| Инертные газы | - 5.1-5.0 - | Фиолетовый |
| Аммиак Кислота (окислитель) Щелочь Масло Жидкое горючее | - 11 - 11 - - 3 - 7 - - 7.1-7.0 - -8.4 – 14 – - 8.6 - | Серый Оливковый Серо – коричневый Коричневый Желтый |
| Горючие и взрывоопасные газы | -16 – 16 - | Оранжевый |
| Водопровод | ВО – В9 | - |
| Противопожарный трубопровод | В2 | Светло - серый |
| Канализация | КО – К12 | - |
| Теплопровод | ТО – Т8 | - |
Таблица 1.2. Условные обозначения технологической арматуры
| Наименование | Обозначение по ГОСТ 14.202 - 69 |
| Вентиль запорный проходной (задвижка) |  |
| Вентиль с электрическим приводом |  |
| Вентиль трехходовой |  |
| Клапан предохранительный |  |
| Затвор поворотный (заслонка, шибер) |  |
| Привод исполнительный мембранный |  |
| Таблица 1.3. Выходные электрические коммутирующие элементы | |
| Наименование | Обозначение по ГОСТ 2.755 - 87 |
| Контакт для коммутации сильноточной цепи (контакт контактора) |  |
| Контакт замыкающий |  |
| Контакт размыкающий |  |
Для облегчения чтения схем на трубопроводах и других транспортных линиях проставляют стрелки, указывающие направление движения вещества.
В функционально-технологической схеме, а также у изображения трубопровода, по которому вещество уходит из данной системы, делается соответствующая надпись, например: «Из цеха абсорбции», «От насосов», «В схему полимеризации».
Рисунок 1.2. Изображение датчиков и отборных устройств (фрагмент)
Условные графические обозначения средств автоматизации приведены в таблицах 1.2., 1.3., 1.4.. Условные графические обозначения электроаппаратуры, применяемые в функциональных схемах автоматизации, следует изображать в соответствии со стандартами (табл. 1.3.). При отсутствии стандартных условных обозначений каких – либо автоматических устройств следует принять свои обозначения и пояснить их надписью на схеме. Толщина линий этих обозначений должна быть 0,5 – 0,6 мм, кроме горизонтальной разделительной линии в условном изображении прибора, устанавливаемого на щите, толщина, которой 0,2 – 0,3 мм.
Отборное устройство для всех постоянно подключенных приборов не имеет специального обозначения, а представляет собой тонкую сплошную линию, соединяющую технологический трубопровод или аппарат с прибором (рис. 1.2. приборы 2 и 3а). При необходимости указания точного места расположения отборного устройства или точки измерения (внутри графического обозначения технологического аппарата) в конце жирно изображают окружность диаметром 2 мм (рис. 1.2 приборы 1 и 4а).
Таблица 2.4. Условные графические обозначения средств автоматизации и приборов
| Наименование | Условное обозначение по ГОСТ 21.404 - 85 |
| Первичный измерительный преобразователь (датчик) или прибор, устанавливаемый по месту (на технологической линии, аппарате, стене, полу, колонне, металлоконструкции). Базовое Допускаемое | |
| Прибор, устанавливаемый на щите, пульте Базовое Допускаемое | |
| Отборное устройство без постоянного подключения прибора | |
| Исполнительный механизм | |
| Выключатель путевой | |
| Звонок электрический, сирена, гудок |  |
| Электронагреватель: а) сопротивления, в) индукционный |  |
| Прибор регистрирующий | |
| Лампа накаливания, газоразрядная (сигнальная) | |
| Машина электрическая трехфазная (М – двигатель, G - генератор) |  |
| Машина электрическая постоянного тока (двигатель М, генератор G) |  |
Для получения полного (свободно читаемого) обозначения прибора или другого средства автоматизации в его условно-графическое изображение в виде круга или овала вписывают буквенное условное обозначение, которое и определяет назначение, выполняемые функции, характеристики и параметры работы. При этом месторасположение буквы определяет ее значение. Таким образом, буквы, приведенные в таблице 1.5 – это основные параметры и функции, а буквы, приведенные в таблице 1.6 - уточняют функцию, параметр.
Таблица 1.5. Обозначение основных измеряемых параметров в схемах автоматизации
| Измеряемый параметр | Обозначение |
| Плотность | D |
| Любая электрическая величина. Для конкретизации измеряемой электрической величины справа от условного графического изображения прибора необходимо дать ее наименование, например, напряжение, сила тока, мощность и т.п. | E U, I, P |
| Расход | F |
| Размер, положение, перемещение | G |
| Время, временная программа | K |
| Уровень | L |
| Влажность | M |
| Давление, вакуум | P |
| Состав, концентрация и т.п. | Q |
| Скорость, частота | S |
| Температура | T |
| Вязкость | V |
| Масса | W |
| Несколько разнородных измеряемых величин | U |
Для обозначения ручного управления используют букву H. Для обозначения величин, не предусмотренных стандартом, могут быть использованы резервные буквы: A, B, C, I, N, O, Y, Z (буква X - не рекомендуется). Использованные резервные буквы должны быть расшифрованы надписью на свободном поле схемы.
Ниже приведены обозначения уточняющих значений измеряемых величин.
Таблица 1.6. Дополнительные буквенные обозначения
Букву, служащую для уточнения измеряемой величины, ставят после буквы, обозначающей измеряемую величину, например P,D, - разность (перепад) давлений.
Функции, выполняемые приборами по отображению информации, обозначают латинскими буквами (см. таблицу 2.7).
Таблица 1.7. Буквенные обозначение функции
Дополнительно могут быть использованы обозначения буквами E, G, V.
Все перечисленные буквенные обозначения проставляют в верхней части окружности, обозначающей прибор (устройство).
Если для обозначения одного прибора используется несколько букв, то порядок их расположения после первой, обозначающей измеряемую величину, должен быть, например: TIR – прибор измерения и регистрации температуры, PR – прибор для регистрации давления.
При обозначении устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных операции, на первом месте ставят букву H.
Для примера на рис. 1.2 приведена схема автоматизации с использованием регистрирующих приборов для температуры и перепада давлений, где для формирования условного обозначения прибора (комплекта), в верхней части окружности указывают функциональное назначение, а в нижней части окружности располагают позиционное обозначение его (буквенно – цифровое или цифровое – 1, 2, 4а, 4б, 3а, 3б). Таким образом, все элементы одного комплекта, т.е. одной функциональной группы приборов (первичный, промежуточный и передающий измерительные преобразователи, измерительный прибор, регулирующий прибор, исполнительный механизм, регулирующий орган), обозначают одной и той же цифрой. При этом цифру 1 присваивают первому (слева) комплекту, цифру 2 - второму и т.д.
Чтобы различить элементы одного комплекта, рядом с цифрой помещают буквенный индекс (буквы З и О, начертание которых похоже на начертание цифр, применять не рекомендуется): у первичного преобразователя (чувствительного элемента) – индекс «а», у передающего преобразователя – «б», у измерительного прибора – «в», и т.д. Таким образом, для одного комплекта полное обозначение первичного измерительного преобразователя будет 1а, передающего измерительного преобразователя 1б, измерительного (вторичного) прибора 1в, и т.д. при этом высота цифры равна 3,5 мм, высота буквы 2,5 мм.
При разработке проекта автоматизации в первую очередь необходимо решить, с каких мест те или иные участки объекта будут управляться, где будут размещаться пункты управления, операторские помещения, какова должна быть взаимосвязь между ними, т.е. необходимо решить вопросы выбора структуры управления. Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними. Графическое изображение структуры управления называется структурной схемой. Хотя исходные данные для выбора структуры управления и ее иерархии с той или иной степенью детализации оговариваются заказчиком при выдаче задания на проектирование, полная структура управления должна разрабатываться проектной организацией.
Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность его работы, снижение относительной стоимости системы управления, ее надежности, ремонтоспособности и т.д.
В общем случае любая система может быть представлена:
конструктивной структурой;
функциональной структурой;
алгоритмической структурой.
В конструктивной структуре системы каждая ее часть представляет собой самостоятельное конструктивное целое.
В конструктивной схеме присутствуют:
Объект и система автоматизации;
Информационные и управляющие потоки.
В алгоритмической структуре каждая часть предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования входного сигнала, являющегося частью всего алгоритма функционирования системы.
Проектировщик разрабатывает алгоритмическую структурную схему (АСС) объекта автоматизации по дифференциальным уравнениям или графическим характеристикам. Объект автоматизации представляется в виде нескольких звеньев с различными передаточными функциями, соединенными между собой. В АСС отдельные звенья могут не иметь физической целостности, но соединение их (схема в целом) по статическим и динамическим свойствам, по алгоритму функционирования должно быть эквивалентно объекту автоматизации. На рисунке 9.2 дан пример АСС АСУ.
В функциональной структуре каждая часть предназначена для выполнения определенной функции.
В проектах автоматизации изображают конструктивные структурные схемы с элементами функциональных признаков. Полные сведения о функциональной структуре с указанием локальных контуров регулирования, каналов управления и технологического контроля приводятся в функциональных схемах.
Структурная схема АСУ ТП разрабатывается на стадии “Проект” при двухстадийном проектировании и соответствует составу системы.
На структурной схеме отображаются в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между пунктами контроля и управления, оперативным персоналом и технологическим объектом управления. Принятые при выполнении структурной схемы принципы организации оперативного управления технологическим объектом, состав и обозначения отдельных элементов структурной схемы должны сохраняться во всех проектных документах на АСУ ТП.
На структурной схеме показывают следующие элементы:
Технологические подразделения (отделения, участки, цеха, производства);
Пункты контроля и управления (местные щиты, операторские и диспетчерские пункты, блочные щиты и т.д.);
Технологический персонал (эксплуатационный) и дополнительные специальные службы, обеспечивающие оперативное управление;
Основные функции и технические средства, обеспечивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управления;
Взаимосвязь между подразделениями и с вышестоящей АСУ.
Структурная схема системы автоматизации выполняется по узлам и включает все элементы системы от датчика до регулирующего органа с указанием места расположения, показывая их взаимосвязи между собой.
Схема автоматизации при разработке АСУТП является своеобразной объединенной функциональной схемой технологического объекта управления, охватывающей так называемое «полевое оборудование» нижнего уровня системы и показывающей его связи с приборами, средствами управляющей вычислительной техники и пунктами контроля и управления более высокого уровня.
Схема автоматизации выполняется с учетом требований раздела 2 ГОСТ 2.702-75* ЕСКД, п. 2.4 ГОСТ 24.302-80, раздела 4.1 РД 50-34.698-90 и раздела4.3 ГОСТ 21.408-93 СПДС.
Схема автоматизации разрабатывается в целом на технологический объект управления ТОУ АСУТП или на отдельную инженерную систему (электроснабжение, теплоснабжение, вентиляция и т. п.) или часть технологической/инженерной системы, процесса и операции: линию, участок, блок, установку, агрегат.
Пример: функциональная схема автоматизации парового котлаФункциональная схема разрабатывается на основании исходных материалов по созданию АСУТП и в первую очередь материалов технологического регламента или отдельных документов, включаемых в «технологический регламент».
Наилучшим вариантом функциональной схемы автоматизации ТОУ является схема, совмещенная со схемой соединений, которая выполняется в составе основного комплекта марки Т по ГОСТ 21.401-88 СПДС или со схемами соединений инженерных систем.
Выполнение совмещенной схемы допускается п. 3.3 ГОСТ 21.404-88 «Технология производства. Основные требования к рабочим чертежам».
В зарубежной практике применяется разработка PID схем (Process Instrument Diagram). Разработка совмещенной схемы специалистами по технологической час-н (ТХ, ОВ, ВК, ЭМ и др.) совместно со специалистами по разработке АСУТП (.в том числе низового, «полевого» уровня) дает наиболее эффективные решения в обеих частях проекта (например, ТХ и АТХ).
Так как подобная схема выпускается за двумя подписями (ТХ и АТХ), то любое изменение в части ТХ автоматически становится достоянием разработчиков АТХ, -:то снимает многие конфликтные ситуации, возникающие при раздельном выпуске документов - отдельно схем соединений ТХ (ОВ, ВК и др.) и отдельно схем автоматизации АТХ.
Схема автоматизации (СЗ) при разработке ее отдельно от выпуска схемы сопений ТХ (ОВ, ВК и др.) должна быть согласована с соответствующими специалистами технологической (сантехнической, отопления и вентиляции и др.) части проекта.
Следует учесть, что в схеме соединений (ТХ, ОВ, ВК) согласно п. 3.2 ГОСТ 1 1 -88 должны быть указаны «…трубопроводы и их элементы» со всеми буквенно-цифровыми обозначениями.
Приведем пояснения некоторых терминов.
Технологический блок - комплекс или сборочная единица технологического оборудования заданного уровня заводской готовности и производственной технологичности, предназначенные для осуществления основных или вспомогательных технологических процессов. В состав блока включают машины, аппараты, первичные средства контроля и управления, трубопроводы, опорные и обслуживающие конструкции, тепловую изоляцию и химическую защиту.
Блоки, как правило, формируют для осуществления теплообменных, массообменных, гидродинамических, химических и биологических процессов. Номенклатура блоков устанавливается ведомственными нормативными документами, согласованными с министерствами, осуществляющими монтажные работы.
Технологический трубопровод - трубопровод, предназначенный для транспортирования различных веществ, необходимых для ведения технологического процесса или эксплуатации оборудования.
Элементы трубопровода - патрубки (трубы), отводы, переходы, тройники, фланцы, компенсаторы, отключающая, регулирующая, предохранительная арматура, опоры, прокладки и крепежные изделия, устройства, устанавливаемые на трубопроводах для контроля и управления, конденсационные и другие детали и устройства.
Устройства, устанавливаемые на трубопроводах для контроля и управления, показываются как элементы трубопровода на схеме соединений или совмещенной схеме.
Буквенно-цифровые обозначения наносятся на полках линий-выносок и соответствуют номеру чертежа элемента.
Элемент (закладной элемент) - это деталь или сборочная единица, неразрывно встраиваемая в технологические аппараты и трубопроводы (бобышка, штуцер, карман, гильза и т. п.).
Подобный элемент в соответствии со СНиП 3.05.07-85 «Системы автоматизации» называется закладной конструкцией или закладным элементом.
Закладная конструкция или закладной элемент должен обеспечивать необходимую герметичность технологического оборудования и трубопровода до установки на них прибора автоматизации. Это позволяет проводить гидравлические и пневматические испытания оборудования и трубопроводов до установки приборов автоматизации, до начала монтажно-наладочных работ систем автоматизации и АСУТП.
Отборное устройство - устройство, устанавливаемое на технологическом оборудовании или трубопроводе и предназначенное для подвода измеряемой среды к измерительным приборам или измерительным преобразователям (датчикам).
Заметим, что согласно п. 2.12 СНиП 3.05.07-85 закладные элементы или конструкции для монтажа первичных приборов, для установки отборных устройств давления, расхода и уровня и др. (заканчивающиеся запорной арматурой), индивидуальные приборы-расходомеры, расходомеры-датчики, регулирующие и запорные органы, обводные линии (байпасы), материалы для изготовления закладных элементов (конструкций) предусматриваются и осмечиваются в технологической части проекта (ТХ, ОВ, ВК).
За последние годы процессы автоматизации на производстве стали невероятно актуальными с все больше и больше вводится новых методов, устройств и систем, позволяющих снизить нагрузку на человека, переложив ее на технику. На многих заводах появляются автоматические станки, которые выполняют все те же функции, только с гораздо большей точностью и с меньшими затратами времени. Более того, отдельно стоит отметить тот факт, что автоматизация позволяет снизить риск для людей, которым ранее приходилось работать в невероятно трудных и опасных для здоровья условиях. Теперь им не нужно находиться в самом эпицентре происходящего - операторы машин управляют ими с расстояния из безопасного помещения.
Таким образом, можно смело сказать, что автоматизация - это движение в будущее, невероятный прогресс, который идет только на пользу человечеству. Однако в данной статье речь пойдет не об автоматизации в целом, а о том, что такое схема автоматизации, как она составляется и как используется. Для многих людей данное понятие может показаться странным. Практически никто не сможет просто так взять и угадать, для чего она нужна или что она вообще собой представляет. Обо всем этом подробно будет рассказано далее, но для начала вам стоит уяснить, что схема автоматизации - это очень важная вещь, без которой сам процесс автоматизации был бы невозможен.
Что такое функциональная схема?
Прежде чем разбираться с главным понятием данной статьи, которым является схема автоматизации, стоит обратить внимание на то, что чаще всего к этому названию добавляется еще и прилагательное «функциональная». Но это ничего не проясняет - все становится только еще более запутанным. Что такое Так называется документ, который создан для того, чтобы разъяснять и в деталях описывать определенные процессы, протекающие в отдельно взятом блоке или на конкретном участке. Таким образом, можно смело сделать вывод, что схема автоматизации в данном случае будет представлять собой пояснение (частично даже наглядное) для процесса автоматизации на каком-либо конкретном предприятии. Естественно, это довольно общее определение, поэтому вам и стоит углубиться в чтение данной статьи, так как в ней будет гораздо более подробно описано все, что связано с этим понятием, его реализацией и применением на практике.
Изменения за последние годы
Само собой разумеется, что у всего имеется свой стандарт. Имеется он и у такого понятия, как схема автоматизации: ГОСТ. Но стоит понимать, что стандарты не стоят на месте, и особенно это касается таких высокотехнологических процессов. За последнее десятилетие очень сильно изменился набор технических средств, используемых в процессе автоматизации, поэтому сильно изменились и стандарты.
Теперь основываются на современных супермощных компьютерах, способных продемонстрировать гораздо более внушительную вычислительную мощность, чем те же десять лет назад. Именно поэтому сейчас стали доступных гораздо более обширные функции для автоматизированных систем, включающие в себя сохранение результатов за любой период времени, вывод информации в любой момент в удобной форме, создание специальных детальных мнемосхем, которые позволяли бы использовать любые параметры для невероятно точного управления практически всеми возможными системами.
Сейчас контролеры стали гораздо более емкими, они могут размещаться как в специализированных помещениях в непосредственной близости к автоматизированной системе, так и на удаленном расстоянии, что позволяет использовать гораздо более гибкую систему контроля. Таким образом, вы можете легко себе представить, как сильно будет отличаться от документа десятилетней давности современная схема автоматизации. ГОСТ 2006 года будет уже абсолютно не актуален на сегодняшний день, собственно говоря, как и сами автоматизированные системы, которые сейчас можно заменить гораздо более эффективными.
Как выглядит схема автоматизации?
Ни для кого не секрет, что подобная схема является одним из самых важных документов для проектирования автоматизации предприятия, цеха или любой другой единицы производства. На ней в мельчайших деталях описано абсолютно все, что будет включать в себя автоматизация, в том числе технологическое оборудование, органы управления этим оборудованием, коммуникации и связи между элементами и так далее.
Также очень важно помнить, какое большое значение имеют обозначения на схемах автоматизации - именно они и превращают обычный документ в емкую и четкую схему. Одного взгляда на нее достаточно, чтобы в общем оценить весь процесс автоматизации и понять, что и как будет реализовываться. Обозначения на схемах автоматизации должны быть максимально четкими, потому что на основании такого чертежа будут разрабатываться уже другие соответствующие документы, которыми будут пользоваться в дальнейшем. Таким образом, данная схема, как вы уже поняли, является одним из наиболее важных элементов всего процесса автоматизации, и ее выполнение должно быть на высочайшем уровне - вплоть до мельчайших деталей.
Что изображается на схеме?
Автоматизации - это не детальное изображение всех элементов производства и коммуникации между ними. Во-первых, стоит отметить, что абсолютно все элементы отображаются на схеме условно, то есть они не соответствуют тому, как выглядят в реальности. Во-вторых, масштаб не соблюдается, так что схема не имеет ничего общего с тем, как все оборудование расположено в реальных пропорциях и соотношениях. Чтобы разобраться с данной схемой, вам нужно понять, что это лишь условная зарисовка, которая дает смотрящему представление о том, как именно функционируют элементы производственного процесса, а также как они будут при этом взаимодействовать с системой автоматизации.
Функциональная схема автоматизации, в принципе, имеет общепринятый формат, так что большинство обозначений являются стандартизированными. К примеру, по ГОСТу необходимо изображать оборудование и коммуникации тонкими линиями, в то время как технологические потоки обозначаются более жирными. Существует большое количество различных обозначений, и? чтобы узнать их все, вам придется ознакомиться с ГОСТом.
Однотипные приборы
Схемы автоматизации процессов могут быть очень многочисленными. В зависимости от того, какое количество оборудования входит в план, какое число цехов и отделений составляют единое целое, стоит задуматься об оптимизации процесса планирования. И самое первое правило касается однотипных приборов. Дело в том, что обычно схема включает в себя большое количество элементов, так как различные отделы требуют разного подхода. Однако если случается так, что имеются однотипные приборы или элементы, то их можно описывать одной схемой, давая на нее ссылку в других источниках.
Допустим, у вас имеется пять одинаковых приборов, которые вам необходимо отобразить в пояснительном документе. Если они действительно одинаковы, используют тот же самый принцип автоматизации. То есть вы можете создать схему для первого из этих приборов, после чего указать, что эта же схема применима и для остальных четырех приборов. Как видите, схемы управления автоматизации имеют множество интересных и важных моментов, которые стоит изучить, так как они значительно облегчат вам жизнь и сделают процесс гораздо более удобным и эффективным.
Таблицы с условными обозначениями
Казалось бы, такая мелочь, как условные обозначения схем автоматизации, должна выполняться в относительно свободном порядке, однако на самом деле все далеко не так, и это очень жестко контролируется. Вам необходимо создать отдельную таблицу для условных обозначений, в которой будет два столбца - в одном будет содержаться наименование конкретного прибора, определенной коммуникации и так далее, а в другом будет изображено непосредственно само условное обозначение. При этом все условия являются довольно жесткими - задается даже конкретная ширина столбцов в этой таблице, так что вам не дается пространства для фантазии.
Конечно, вы можете придумывать собственные условные обозначения, но здесь, опять же, существуют свои нормы, которых обычно все придерживаются. То есть нет каких-либо конкретных обозначений, например, для соединения трубопроводов или их пересечения, однако в большинстве случаев принято изображать их в качестве совмещающихся друг с другом линий, а также с помощью одной сплошной и другой прерывистой или же с помощью двух линий, одна из которых совершает полукруглый изгиб в месте пересечения. Но вам стоит помнить, что даже если вы используете общепринятое обозначение, вам все равно необходимо отметить его в таблице условных обозначений. Только таким образом выполняются функциональные схемы средств автоматизации.
Буквенные обозначения
Одним из важнейших моментов в вопросах схем автоматизации, независимо от того, функциональная ли это таблица или принципиальная схема автоматизации, являются буквенные обозначения. Они играют очень большую роль и несут в себе внушительный объем смысловой нагрузки, поэтому вам определенно стоит изучить то, что может обозначать та или иная буква, которая будет написана в определенных условиях. В первую очередь обратите внимание на то, что одна и та же буква может иметь несколько значений. Например, она может использоваться для обозначения измеряемой величины и одновременно функционального признака прибора. Да, большинство букв имеют какое-либо одно из двух описанных выше обозначений. Например, "A" обозначает сигнализацию, а "E" указывает на электрическую величину. Но есть и такие буквы, которые могут описывать как один, так и другой раздел. Например, "H" - это может быть и ручное воздействие, и верхний предел измеряемой величины.
Два метода создания схем
Схемы систем автоматизации могут иметь два метода обозначения, и это очень важный момент. Они сильно влияют на то, как именно в дальнейшем будет составляться целая схема. Итак, метод может быть упрощенным и развернутым. В первом случае схема является упрощенной до минимума. Конкретно это выражается в том, что все средства автоматизации, входящие в план, изображаются одинаково, то есть для них нет конкретных условных обозначений. Что касается второго метода, то здесь все уже гораздо сложнее и разнообразней. Каждое средство автоматизации наносится на схему своим собственным обозначением, которое, естественно, записывается в отдельную таблицу, о которой речь уже шла выше.
Широко применяются оба подхода, просто каждый из них используется в зависимости от ситуации. В некоторых случаях гораздо удобнее сделать набросок, в котором будут обозначены все средства автоматизации в качестве одного элемента. Это позволит иметь представление о системе в целом. Но иногда гораздо важнее бывает глубокое понимание процесса автоматизации, поэтому каждая деталь схемы вырисовывается отдельно. Однако стоит напомнить, что даже в этом случае масштаб не соблюдается. По каждому виду схем вполне может проводиться полноценная автоматизация. может быть очень много, но они не имеют какого-то усредненного вида. Каждая выглядит немного иначе даже с учетом того, что очень многое на ней должно соответствовать принятым стандартам.
Графические изображения средств автоматизации
Функциональная схема автоматизации процесса может включать в себя огромное количество обозначений, однако есть те, которые вы там увидите довольно часто. Речь идет об обозначениях, которые привязываются к конкретным средствам и приборам автоматизации, широко используемым в современных системах. Естественно, их видов существует просто огромное количество и сейчас нет смысла перечислять их все. Но вы можете представить себе несколько основных, таких как первичный который изображается крайне просто - с помощью круга. Но если вы увидите круг, который разделен линией пополам, то это будет совершенно другое устройство - прибор, который устанавливается на пульте управления.
Если же вы видите круг, от которого отходит прямая линия вниз, то это значит, что перед вами исполнительный механизм - но это только лишь общее обозначение. Существует несколько видов и у каждого из них условное обозначение преобразовывается дополнительными элементами, например, стрелочкой на конце прямой линий с одой из сторон, двумя короткими прямыми линиями, перечеркивающими перпендикулярно одну длинную прямую, буквой в центре круга и так далее. Регулирующий орган обозначается в виде своего рода «бантика» - двух треугольников, которые соприкасаются одной из вершин. Также стоит отметить и отборное устройство, которое не имеет постоянно подключенного к нему прибора. Оно обозначается полукругом с отходящей от него прямой линией вверх.
Цифры на схеме
Пока что речь шла исключительно о графических обозначениях, которые вы можете обнаружить на функциональной схеме автоматизации, а также мы поговорили о буквах, которые можно и нужно использовать на этих схемах. Однако не стоит забывать о том, что цифры также могут быть использованы при составлении подобного чертежа. Вам стоит понимать, что на функциональной схеме должно быть отмечено абсолютно все, и чем больше способов обозначения имеется, тем лучше и тем более понятной выйдет схема. Поэтому вам обязательно стоит использовать цифры, так как их преимуществом является тот факт, что за ними не закреплено никаких значений. Вам необходимо будет создать полную таблицу, в которой вы опишете, какое значение придается той или иной цифре. При этом необходимо помнить, что лучше всего таким символам придавать схожие, родственные значения.
В качестве примера можно привести схему автоматизации трубопровода. Цифрами на ней можно обозначить все вещества, которые протекают по определенным отрезкам труб. Цифра 1 - это вода, цифра 2 - пар, 3 - воздух и так далее. Естественно, у каждой схемы имеется своя специализация, поэтому данные обозначения являются только лишь примером. Вы можете свободно выбирать, как именно обозначать тот или иной элемент вашей схемы при помощи цифр.
В итоге можно сказать, что автоматизация - это очень важный и распространенный на сегодняшний день процесс, который играет очень серьезную роль в развитии промышленности, в производстве и вообще в любой сфере деятельности. Так что составление грамотной и точной функциональной схемы автоматизации - это также очень полезный навык, поскольку благодаря подобным документам процесс автоматизации проводится гораздо быстрее и эффективнее. Развернутая и четкая схема автоматизации - это залог качественного выполнения плана и дальнейшего функционирования автоматизированного производства. Поэтому данному вопросу на сегодняшний день уделяется такое пристальное внимание.
Прочитать схему – это означает получить из нее сведения, необходимые для выполнения определенной работы при проектировании, монтаже, наладке, эксплуатации или обучении. Читая, например, структурные и функциональные схемы автоматизации, имеют представление о структуре устройства, функциональных узлах, связях между ними и их взаимодействии. Чтение принципиальных схем дает необходимую информацию о принципе действия, эксплуатационных возможностях системы автоматизации в целом или ее отдельного узла, устройства, взаимодействии отдельных элементов схемы, ее режимах работы, об уставках (по току, времени) и других параметрах аппаратов и приборов.
Чтение схем или таблиц внешних соединений дает сведения о внешних соединениях между приборами и средствами автоматизации, включая щиты, пульты, стативы, приемные и отборные устройства (датчики), способах прокладки линий электрических и трубных связей, разветвлений проводок с помощью коробок, коммутационных щитов, модулей, ящиков и т.п.
Читая монтажные схемы или таблицы соединений и подключений щитов, пультов и стативов, а также тесно связанные с ними чертежи общих видов этих конструкций, определяют компоновку приборов, аппаратов установочных изделий, их маркировку, материал, жильность и трассировку линий связи в пределах одного конструктива.
При чтении функциональных схем автоматизации рекомендуется соблюдать следующую последовательность:
2) изучить технологический процесс и взаимодействие всех участвующих в нем аппаратов, агрегатов и установок, начиная знакомство с пояснительными записками к проекту автоматизации и технологической части;
3) определить организацию пунктов контроля и управления данным технологическим процессом;
4) установить перечень узлов контроля, сигнализации и автоматического регулирования и управления электроприводами, предусмотренных данной схемой.
Сложные функциональные схемы автоматизации выполняются двух видов:
С изображением технологических объектов, щитов и пультов, с установленными в них средствами автоматизации и приборами (см. рис. 1.5);
С изображением технологических объектов и средств автоматизации вблизи отборных (датчиков) и приемных устройств с соответствующими указательными надписями и стрелками, а щиты и пульты не вычерчиваются (упрощенно показаны на рис. 1.6).
Рисунок 1.6. Функциональная схема автоматизации
Такая схема дает общее представление об организации системы автоматизации, но не имеет информацию о щитах, пультах и шкафах, однако четко выявляет контуры (цепи) управления (регулирующие сигнализации и т.п.) и, вместе с тем, значительно сокращает объем документации.
При этом регулирующие устройства изображены вблизи технологического оборудования и датчиков, а контуры управления обозначены соответствующими арабскими цифрами. Исполнительные органы и датчики буквенных и цифровых обозначений не имеют.
Полученная в результате разработки схема автоматизации дает информацию об автоматизируемом технологическом объекте и позволяет перейти к ознакомлению и изучению принципиальных схем отдельных функциональных узлов и устройств.
С помощью спецификаций на средства автоматизации документируют все технические средства и комплектующие для данной системы автоматизации.
Контрольные вопросы
1) Перечислите виды схем автоматизации
2) Почему более широкое применение в производстве имеют электрические системы автоматизации?
3) Почему в опасных условиях применяют пневматические схемы?
4) Почему гидравлические схемы имеют короткие линии связи?
5) Что показывают на структурной схеме?
6) Что такое принципиальная схема?
7) Что отражает монтажная схема?
8) Назначение функционально – технологической схемы автоматизации.
9) Используют ли масштаб для выполнения схем?
10) Чем определяется характер работы объекта управления?
11) Примеры возмущающих воздействий на электропривод технологического объекта.
12) Что такое «уставка»?
13) Что может служить управляющим воздействием в дистанционной системе управления?
14) Системы стабилизации выходного параметра отчета (пример.)
15) Что такое условно – графические обозначения в схемах?
16) Что такое условно – буквенные обозначения в схемах?
17) Какие нормативные документы регламентируют схемы автоматизации?
18) Привести пример отборного устройства на технологическом объекте с/х назначения.
19) Привести пример измерительного устройства для технологического объекта.
20) Привести пример датчика (первичного преобразователя) на технологическом объекте (емкость с жидкостью).
21) Приведите УГО исполнительного механизма.
22) Приведите УГО регулирующего органа.
23) Приведите УГО первичного преобразователя.
23а) Приведите УГО средства автоматизаций (прибора), установленного на щите.
24) Когда показывается на функциональной схеме место точки измерения?
25) Как показываются функции средств автоматизаций на УГО?
26) Какие буквенные обозначение служат для уточнения функций средства автоматизаций?
27) Как обозначается на средствах автоматизаций функция «включения»?
28) Как обозначается на средствах автоматизаций функция «сигнализаций»?
29) Как обозначается на средствах автоматизаций функция «регистрация»?
30) Как обозначается на средствах автоматизаций функция «показания»?
31) Как обозначается на средствах автоматизаций функция «регулирования»?
32) Где на схеме указывается позиционное положение средства автоматизаций?
33) Обозначение измеряемого параметра на функциональных схемах автоматизаций:
а) температуры
в) давления
с) плотности
d) скорости
k) размера
l) расхода
m) электрической величины
n) влажность
34) Как обозначить на схеме термометр сопротивления?
35) Как обозначить на схеме контактный манометр?
36) Как обозначить на схеме тахогенератор?
37) Как обозначить на схеме регистрирующий прибор типа КСП?
38) Как обозначить на схеме магнитный пускатель?
39) Каким цветом изобразить пожарный водопровод?
40) Какой буквой обозначается «уровень»?
41) Цифровое обозначение технологических веществ:
b) воздуха
42) УГО нагревательного устройства.
43) Какие дисциплины должны предшествовать подготовки к обучению техники чтения схем?
44) Каков порядок чтения схем автоматизаций?
45) Что является основой схемы автоматизаций?
47) Можно ли определить ошибки в схемах при его чтении?
48) Что дает анализ функционирования по рассматриваемой схеме?
49) Можно ли дополнять схемы автоматизаций надписями, указательными стрелками и т.д.?
50) Что обязательно приведено в пояснительной записке к схеме автоматизаций?
Литература
1. Электротехнический справочник. Под ред. М. Герасимова: М.Энергоатомиздат, 1989г. – т.3.
2. А.С. Клюев и др. «Техника чтения схем автоматического управления и технического контроля»: М. Энергия 1991г. – с 432.
3. О.А. Новицкий и др. Курсовое и дипломное проектирование по автоматизации предприятий: М. Колос 1992 г. – с 207.
Например:
3. АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАМНЫЕ СРЕДСТВА
Интерактивные графические комплексы
Нумерация пунктов первого подраздела третьего раздела
документа
Программное обеспечение
Нумерация пунктов второго подраздела третьего раздела
документа
Языки представления информации
Нумерация пунктов третьего подраздела третьего раздела
документа
В документе помещают содержание, включающее номера и наименование разделов и подразделов с указанием номеров листов.
Основной формой записи данных является таблица. Каждая таблица должна иметь заголовок. Таблицу размещают после первого упоминания о ней в тексте без поворота или с поворотом на 90 0 . Таблицы нумеруются последовательно арабскими цифрами.
Для курсовых и дипломных проектов завершающим материалом текстового документа является «Список используемой литературы» т.е. библиография составленная по правилам составления библиографического описания (2-е изд. док. – Москва Книжная палата 1991).
В приложении текстового документа помещают вспомогательный материал. Приложения начинают с нового листа с указанием словам «ПРИЛОЖЕНИЕ», которые нумеруются арабскими цифрами.
3.8 Контрольные вопросы .
1. Что такое схема?
2. Обозначение электрической схемы
3. Обозначение электрогидравлической схемы
4. Обозначение принципиальной схемы
5. Обозначение функциональной схемы
6. Дать пример обозначения принципиальной электропневматической схемы в чертежах
7. Дать определение структурной схемы
8. Дать определение принципиальной схемы
9. Для чего предназначена монтажная схема
10. Какая информация закладывается в ведомости и спецификации чертежей?
11. Какие буквенные коды предпочтительнее?
12. УГО – реостата
13. УГО – потенциометра
14. УГО – конденсатора
15. УГО – катушки индуктивности с магнитопроводом
16. Покажите обозначение однолинейных трехфазных цепей
17. Представьте изображения трехфазного трансформатора
18. Представьте изображение автотрансформатора
19. Представьте изображение реактора
20. Представьте изображение трансформаторного тока
21. Условно-буквенное обозначение: резистора, конденсатора индуктивности.
22. Изобразите размыкающий контакт
23. Изобразите концевой выключатель
24. Изобразите сигнальную лампу
25. Изобразите силовой выключатель
26. Как обозначается задатчик уставок?
27. Что такое – «выходной параметр» и как он обозначается?
28. Как обозначается направления исполнения функции в структурной схеме?
29. Обозначение точки заземления на схеме
30. Возможное обозначение узла (платы) на схеме
32. В каком состоянии должны находится элементы на схеме?
33. Что означает жирная точка на пересечении цепей?
34. Для чего нумеруются параллельные цепи на схеме?
35. Для чего нумеруются отдельные участки электрических цепей в схемах?
36. Как обозначить кнопку «Пуск»?
37. Как обозначить кнопку «Стоп»?
38. Для какой цели схему дополняют надписями, таблицами?
39. Чем осуществляется защита электродвигателя в схеме рис.2?
40. Какая защита цепи управлении в схеме рис.1.5?
41. Что произойдет в схеме при срабатывании SQ3?
42. Где устанавливается сигнальная арматура?
43. Какие коммутационные элементы применены в схеме?
44. Имеют ли защиту автоматический выключатель QF.
45. От какой сети питается схема рис.1.5?
46. Какую информацию получают при прочтении принципиальной схемы?
47. Можно определить ошибку при прочтении схемы?
48. Можно ли определить пути усовершенствования схемы после прочтения ее?
49. Какая цель изучения данной дисциплины?
50. Для чего необходимы значения инженерской графики электрических схем?
