Гудинов В.Н., Корнейчук А.П. Технические средства автоматизации: Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

Конспект лекций

Омск 2006

УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

Р е ц е н з е н т ы :

Н.С. Галдин, д.т.н., профессор кафедры «ПТТМ и Г» СибАДИ,

В.В. Захаров, начальник отдела автоматизации ЗАО «НОМБУС».

Гудинов В.Н., Корнейчук А.П.

Г Технические средства автоматизации: Конспект лекций. – Омск: Изд-во

ОмГТУ, 2006. – 52 с.

В конспекте лекций даны основные сведения о современных технических и

программно-технических средствах автоматизации (ТСА) и программно-

технических комплексах (ПТК), о принципах их построения, классификации,

составе, назначении, характеристиках и особенностях применения в различных

автоматизированных системах управления и регулирования технологическими

процессами (АСУ ТП).

Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и

дистанционной форм обучения по специальности 220301 – «Автоматизация

технологических процессов и производств».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского

государственного технического университета.

УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

технический университет, 2006

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ

АВТОМАТИЗАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Целью курса «Технические средства автоматизации» (ТСА) является

изучение элементной базы систем автоматического управления технологическими

процессами. Вначале приведем основные понятия и определения.

Элемент (устройство) – конструктивно законченное техническое изделие,

предназначенное для выполнения определённых функций в системах

автоматизации (измерение, передача сигнала, хранение информации, ее обработка,

выработка команд управления и т.п.).

Система автоматического управления (САУ) – совокупность технических

устройств и программно-технических средств, взаимодействующих между собой с

целью реализации некоторого закона (алгоритма) управления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом

(АСУ ТП) – система, предназначенная для выработки и реализации управляющих

воздействий на технологический объект управления и представляющая собой

человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматический сбор и обработку

информации, необходимую для управления этим технологическим объектом в

соответствии с принятыми критериями (техническими, технологическими,

экономическими).

Технологический объект управления (ТОУ) - совокупность

технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим

инструкциям и регламентам технологического процесса.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая интеграция и

унификация технических решений. Основное требование современных САУ – это

открытость системы, когда для нее определены и описаны используемые форматы

данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней «внешние»

независимо разработанные устройства и приборы. За последние годы рынок ТСА

существенно изменился, создано много отечественных предприятий, выпус-

кающих средства и системы автоматизации, появились фирмы – системные инте-

граторы. С начала 90-х годов ведущие зарубежные производители ТСА, начали

широкое внедрение своей продукции в страны СНГ через торговые

представительства, филиалы, совместные предприятия и фирмы-дилеры. [2, 28]

Интенсивное развитие и быстрая динамика рынка современной техники

управления требуют появления литературы, отражающей современное состояние

ТСА. В настоящее время свежая информация о средствах автоматизации оте-

чественных и зарубежных фирм имеет разрозненный характер и в основном

представлена в периодической печати либо в глобальной сети Internet на сайтах

фирм-производителей или на специализированных информационных порталах,

таких как www.asutp.ru, www.mka.ru, www.industrialauto.ru. Целью настоящего

конспекта лекций является систематизированное представление материала о

элементах и промышленных комплексах ТСА. Конспект предназначен для

студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и

производств», изучающих дисциплину «Технические средства автоматизации».

1.1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ

В соответствии с ГОСТ 12997-84 весь комплекс ТСА по их функциональному

назначению в САУ делят на следующие семь групп (рис.1).

ЗУ

УПИ УсПУ

ВП

СУ УОИ

Программа

КС

ОУ

РО

ИМ

КУ

Из вне

Результат

1.1 Входные

устройства

(ручного ввода)

-кнопки

-тумблеры

-клавиатура

1.2 Входные устройства

(датчики)

-положения

-скорости

-давления

-усилия

-температуры

-расхода

3. Устройства

центральной части

(переработки информации)

-реле

-таймеры

-счетчики

-ОЗУ, РПЗУ, ПЛМ

-ПЛК, УЭВМ

5. Устройства

отображения

информации

(вспомогательные)

-сигнализация

-визуализация

2.1 Выходные

устройства

(управления ИМ)

-контакторы

-усилители

-пускатели

-оптронные развязки

2.2 Выходные

устройства

(управления РО)

-э/ м схваты

-э/ м патроны

-толкатели

-вибробункеры

4. Средства

промышленных

сетей

-AS-интерфейс

-PROFIBUS

-Ethernet

-Bitbus

-Modbus

6. Устройства защиты

-блокировка

-предохранение

7. Устройства питания

-трансформаторы

-стабилизаторы

Вспомогательные группы:

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ:

СУ – система управления; ОУ – объект управления; КС – каналы связи;

ЗУ – задающие устройства; УПИ – устройства переработки информации;

УсПУ – усилительно-преобразовательные устройства; УОИ – устройства

отображения информации; ИМ – исполнительные механизмы; РО – рабочие

органы; КУ – контрольные устройства; Д – датчики; ВП – вторичные

преобразователи

1.2. Тенденции развития ТСА

1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

– в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического

реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

– в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических

дисплеев);

– в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного

тестирования всей системы автоматики);

– в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых

промышленных средств).

2. Усложнение элементной базы – означает переход от релейно-контактных

схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от

них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции (рис.2).

Релейно-

контктные

схемы

(РКС)

Бесконтактные

логические

устройства

(БЛУ)

Большие

интегральные

схемы

(БИС)

Сверхбольшие

интегральные

схемы

(СБИС)

Интегральные

микросхемы

(ИМ)

Рис. 2. Этапы развития электрических ТСА

3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким

(перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к

машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного

проектирования (САПР).

1.3. Методы изображения ТСА

В процессе изучения данного курса могут применяться разнообразные

методы изображения и представления ТСА и их составных частей. Наиболее часто

используются следующие:

1. Конструктивный метод (рис. 7-13) предполагает изображение приборов и

устройств методами машиностроительного черчения в виде технических

рисунков, компоновок, общих видов, проекций (в том числе и

аксонометрических), сечений, разрезов и т.п. [1,14].

2. Схемный метод (рис. 14,16-21,23) предполагает в соответствии с ГОСТами

ЕСКД представление ТСА схемами различных видов (электрических,

пневматических, гидравлических, кинематических) и типов (структурных,

функциональных, принципиальных, монтажных и др.) [4-7].

3. Математическая модель [3,15,19,30] применяется чаще для программно-

реализуемых ТСА и может быть представлена:

– передаточными функциями типовых динамических звеньев;

– дифференциальными уравнениями протекающих процессов;

– логическими функциями управления выходов и переходов;

– графами состояния, циклограммами, временными диаграммами (рис. 14, 28);

– блок-схемами алгоритмов функционирования (рис. 40) и т.п.

1.4. Основные принципы построения ТСА

Для построения современных АСУ ТП требуются разнообразные устройства

и элементы. Удовлетворение потребностей столь различных по качеству и

сложности СУ в средствах автоматизации при их индивидуальной разработке и

изготовлении сделало бы проблему автоматизации необозримой, а номенклатуру

приборов и устройств автоматики практически беспредельной. [24]

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой

для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и

средств автоматизации (ГСП) – представляющей рационально организованную

совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации,

унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения

автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления

технологическими процессами в различных отраслях промышленности. А с 70-х

годов ГСП охватывает и непромышленные сферы деятельности человека, такие

как: научные исследования, испытания, медицина и др.

Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов,

конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с

какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными

признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые

конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и

параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен

группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества

элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих

ограничений.

Унификация – это приведение различных видов продукции и средств её

производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств.

Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и

устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и

разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному

назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от

одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование – это разработка и использование ограниченной

номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и

унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества

сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование

позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать

ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники

(например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в

машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и

автоматизации обработки информации и др.).

2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ

И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

ГСП представляет собой сложную развивающуюся систему, состоящую из

ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных

позиций. Рассмотрим функционально-иерархическую и конструктивно-

технологическую структуры технических средств ГСП.

2.1. Функционально-иерархическая структура ГСП

Вычислительные

средства

Средсва

централизованного

управления

Объект автоматизации

(технологический процесс)

4 уровень:

планирование, исследования

3 уровень:

адаптация, оптимизация,

диагностика, визуализация

2 уровень:

стабилизация,

регулирование,

ЦПУ, ЧПУ

1 уровень:

сбор информации,

воздействие на объект

0 уровень:

реализация

технологического

процесса

Связь с другими

системами

Средства локального

управления,

регулирования, контроля

Средства локального

управления,

регулирования, контроля

Средства

воздействия

на объект

Средства

воздействия

на объект

Средства

получения

информации

Средства

получения

информации

Рис. 3. Иерархия ГСП

Отличительными особенностями современных структур построения

автоматизированных систем управления промышленными предприятиями

являются: проникновение вычислительных средств и внедрение сетевых

технологий на все уровни управления.

В мировой практике специалисты по комплексной автоматизации

производства также выделяют пять уровней управления современным

предприятием (рис. 4), что полностью совпадает с выше приведенной

иерархической структурой ГСП. [23]

На уровне ЕRP – Enterprise Resource Planning (планирования ресурсов

предприятия) осуществляются расчет и анализ финансово-экономических

показателей, решаются стратегические административные и логистические задачи.

На уровне MES – Manufacturing Execution Systems (системы исполнения

производством) – задачи управления качеством продукции, планирования и контро-

ля последовательности операций технологического процесса, управления

производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса,

технического обслуживания производственного оборудования.

Эти два уровня относятся к задачам АСУП (автоматизированным системам

управления предприятием) и технические средства, с помощью которых эти

задачи реализуются – это офисные персональные компьютеры (ПК) и рабочие

станции на их основе в службах главных специалистов предприятия.

ERP

MES

SCADA

Control level

Input/Output

HMI

Рис. 4. Пирамида управления современным производством.

На следующих трех уровнях решаются задачи, которые относятся к классу

АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими

процессами).

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition (система сбора данных и

супервизорного (диспетчерского) управления) – это уровень тактического

оперативного управления, на котором решаются задачи оптимизации,

диагностики, адаптации и т.п.

Control-level – уровень непосредственного (локального) управления, который

реализуется на таких ТСА как: ПО – панели (пульты) операторов, ПЛК –

программируемые логические контроллеры, УСО – устройства связи с объектом.

HMI – Human-Machine Interface (человеко-машинная связь) – осуществляет

визуализацию (отображение информации) хода технологического процесса.

Input/Output – Входы/Выходы объекта управления представляют собой

датчики и исполнительные механизмы (Д/ИМ) конкретных технологических

установок и рабочих машин.

2.2. Конструктивно-технологическая структура ГСП

УКТС

ПТК

АКТС

Типы

ГСП

Модификация Исполнение Типоразмеры

Рис. 5. Структура ГСП

УКТС (унифицированный комплекс технических средств) – это совокупность

разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных

функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие

одинаковые конструктивные элементы.

АКТС (агрегатный комплекс технических средств) – это совокупность

различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой

по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания,

уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и

программно-технической базе по блочно-модульному принципу. Примеры

известных отечественных УКТС и АКТС приведены в табл. 1.

ПТК (программно-технический комплекс) – это совокупность

микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические

контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных

панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой

перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения

всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ

ТП в различных отраслях промышленности. Примеры современных

отечественных и зарубежных ПТК приведены в табл. 2.

Конкретные комплексы технических средств состоят из сотен и тысяч

различных типов, типоразмеров, модификаций и исполнений приборов и

устройств. [11,12,13]

Тип изделия – это совокупность технических изделий, одинаковых по

функциональному назначению, единого принципа действия, имеющие

одинаковую номенклатуру главного параметра.

Типоразмер – изделия одного и того же типа, но имеющие свои конкретные

значения главного параметра.

Модификация – это совокупность изделий одного типа, имеющих

определенные конструктивные особенности.

Исполнение – конструктивные особенности, влияющие на эксплуатационные

характеристики.

Комплексы ТСА Таблица 1

Наименование Состав оборудования Область применения

Агрегатные средства

контроля и регулирования

(АСКР)

Преобразователи; устройства

программной обработки

сигналов; средства

отображения информации

Централизованный контроль

и регулирование

непрерывными и

дискретными ТП

Агрегатный комплекс

аналоговых электрических

средств регулирования на

микроэлементной базе

(АКЭСР)

Устройства ввода/вывода;

регуляторы; задатчики;

функциональные блоки;

бесконтактные ИМ

Локальные САУ,

АСУ непрерывными ТП

Агрегатный комплекс

щитовых электрических

средств регулирования

(КАСКАД-2)

Аналоговые и позиционные

регуляторы; вспомогательные

устройства

Локальные САУ; системы

централизованного контроля

и регулирования

Комплекс ТС для локальных

информационно- управляемых

систем (КТСЛИУС-2)

Устройства преобразования

сигналов; ввод/вывод

информации в процессор; ОЗУ

и внешняя память;

контроллеры

Локальные САУ в составе

АСУ ТП для непрерывных и

дискретных ТП

Микропроцессорные средства

диспетчеризации автоматики и

телемеханики

(МикроДАТ)

Устройства сбора, первичной

обработки, отображения и

хранения данных; цифровое,

программно-логическое

управление

Распределенные

непрерывные и дискретные

АСУ ТП

Агрегатный комплекс

щитовых пневматических

средств регулирования

(СТАРТ)

Регуляторы; показывающие и

регистрирующие приборы;

функциональные блоки

Пожароопасные

технологические

процессы

Агрегатный

функционально-технический

комплекс пневматических

средств (ЦЕНТР)

Устройства контроля; ПИ-

регуляторы; дистанционное

управление ИМ; пульты

операторов

Агрегатный комплекс средств

сбора и первичной обработки

дискретной информации

(АСПИ)

Устройства регистрации,

первичной обработки, сбора и

передачи информации

АСУ ТП и АСУП для сбора

и формирования дискретной

первичной информации

Агрегатный комплекс средств

электроизмерительной техники

(АСЭТ)

Устройства сбора и

преобразования информации;

коммутаторы; ЦАП и АЦП

Научные исследования,

испытания; диагностика

Агрегатный комплекс средств

вычислительной техники

(АСВТ-М)

Устройства непрерывного

управления и переработки,

хранения информации,

ввода/вывода на носители

АСУ ТП и АСУП, связанные

с обработкой большого

количества информации