Иерархия уровней АСУ ТП

Введение в автоматизированное управление технологическими процессами

Конспект лекций

Объектами автоматизации управления в системах ТГВ являются технические установки или технологическая цепочка установок, с помощью которой осуществляется технологический процесс. Принципиальной особенностью технологических процессов – объектов управления в системах ТГВ – является непрерывность их осуществления.

Автоматическая система, которая в течение длительного времени требуемым образом изменяет или поддерживает неизменными какие-либо физические величины (температуру, давление и пр.) в управляемом процессе, называется системой автоматического управления (САУ). САУ осуществляет управление без участия человека и формирует воздействия, обеспечивающие требуемый режим работы объекта управления – изменение выходных величин, характеризующих состояние объекта управления, в соответствии с заданным законом или обеспечение их постоянства. Полностью автоматическое управление может быть реализовано только для относительно простых объектов (отдельных устройств, агрегатов, технологических операций), поведение которых является детерминированным и для которых процесс управления может быть строго формализован.

Современный технологический процесс в целом как объект управления характеризуется структурной сложностью и территориальной распределенностью; функциональной сложностью и многопараметричностью. Поведение таких объектов управления имеет вероятностную (недетерминированную) природу, и не подлежит полной формализации. Поэтому при управлении технологическим процессом в целом формализованные операции управления выполняются автоматически, а неформализованные, например, принятие решений в нештатных ситуациях, требуют участия человека. Такое управление называется автоматизированным.

Системы управления технологическими процессами, в которых функции управления осуществляются автоматическими устройствами локальных САУ, вычислительной техникой и человеком, называются автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП). Кроме термина АСУ ТП, широкое распространение для обозначения систем такого уровня получил термин SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных). САУ являются подсистемой первого уровня общей, иерархической структуры АСУ ТП. На уровне АСУ ТП осуществляется управление параллельной работой систем локальных уровней, контроля над работой всех систем, централизованного учета отказов в работе и др. На этом уровне для обработки большого объема информации используется вычислительная техника (контроллеры, компьютеры). Результат обработки информации представляется оперативному персоналу в форме, удобной для принятия решений (режим ручного дистанционного управления), или используется для непосредственной корректировки задающих воздействий для САУ локального уровня (супервизорный режим).

Иерархическая структура АСУ ТП включает в себя (рис. 1):

1) уровень технических средств САУ – управляющие устройства, к которым относятся:

- первичные измерительные преобразователи (ПИП), предназначенные для преобразования контролируемого параметра в сигнал определенной формы, удобной для дальнейшей обработки и преобразований (например, термопара преобразует температуру в термоЭДС);

- нормирующие преобразователи (НП), осуществляющие преобразование сигналов от ПИП в эквивалентные унифицированные сигналы (например, преобразование термоЭДС в унифицированный токовый сигнал от 0 до 5 мА или в унифицированный пневматический сигнал от 20 до 100 кПа);

- локальные автоматические регуляторы;

- исполнительные устройства в составе исполнительных механизмов, предназначенных для усиления мощности командного сигнала, полученного от регулятора, и регулирующих органов, представляющих собой технические средства изменения материального или энергетического потока, влияющего на регулируемую величину ТОУ;

2) уровень технических средств АСУ ТП – контроллеры и управляемые автоматические регуляторы;

3) уровень оперативного персонала АСУ ТП – автоматизированные рабочие места оператора-технолога и инженера, реализованные с использованием персональных компьютеров.

Технические средства первого уровня размещаются непосредственно на объекте управления, второго и третьего уровня – в помещениях аппаратных и операторных.

Контроллеры АСУ ТП являются многофункциональными программируемыми устройствами. Они выполняют следующие функции:

- воспринимают результаты контроля состояния ТОУ (аналоговые и дискретные сигналы нормирующих преобразователей) и выполняют их обработку;

- формируют аналоговые и дискретные управляющие сигналы исполнительных устройств и/или сигналы и команды на изменение функции автоматических регуляторов САУ.

Технические средства третьего уровня обеспечивают ведение базы данных, визуализации состояния технологического оборудования, формирование отчетности, ручное дистанционное управление технологическим оборудованием. Информация, предоставляемая оператору АСУ ТП, может иметь различные виды:

- обобщенная мнемосхема объекта автоматизации;

- мнемосхемы отдельных ТОУ с индикацией величин контролируемых параметров;

- диаграммы изменения контролируемых параметров (текущие и за отчетные промежутки времени: смена, сутки, месяц);

- панели контроля и управления регуляторами;

- аварийные и технологические сообщения.

Проектирование АСУ ТП осуществляется поэтапно. На первом этапе разрабатывается структурная схема управления. Следующий этап проектирования – разработка схем автоматизации, которые являются основным документом, определяющим функциональную структуру узлов автоматического контроля и автоматического регулирования, а также оснащения их техническими средствами автоматизации [1, 2].

Контроллеры АСУ ТП являются многофункциональными программируемыми устройствами. Они выполняют следующие функции:

- воспринимают результаты контроля состояния ТОУ (аналоговые и дискретные сигналы нормирующих преобразователей) и выполняют их обработку;

- формируют аналоговые и дискретные управляющие сигналы исполнительных устройств и/или сигналы и команды на изменение функции автоматических регуляторов САУ.

Технические средства третьего уровня обеспечивают ведение базы данных, визуализации состояния технологического оборудования, формирование отчетности, ручное дистанционное управление технологическим оборудованием. Информация, предоставляемая оператору АСУ ТП, может иметь различные виды:

- обобщенная мнемосхема объекта автоматизации;

- мнемосхемы отдельных ТОУ с индикацией величин контролируемых параметров;

- диаграммы изменения контролируемых параметров (текущие и за отчетные промежутки времени: смена, сутки, месяц);

- панели контроля и управления регуляторами;

- аварийные и технологические сообщения.

Проектирование АСУ ТП осуществляется поэтапно. На первом этапе разрабатывается структурная схема управления. Следующий этап проектирования – разработка схем автоматизации, которые являются основным документом, определяющим функциональную структуру узлов автоматического контроля и автоматического регулирования, а также оснащения их техническими средствами автоматизации [1, 2, 16].

1.2. Условные обозначения технических средств автоматизации
в схемах

Изображение технических средств автоматизации (ТСА) на схемах производится в соответствии с ГОСТ 21.404-85 «Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах».

Графические обозначения технических средств автоматизации приведены в таблице 1. При построении условного обозначения ТСА в верхней части графического обозначения записывают последовательность буквенного обозначения, а в нижней части – цифровое позиционное обозначение (рис. 2).

Таблица 1
Наименование	Обозначение
Прибор (преобразователь, средство контроля, регулятор и т.д.) устанавливаемый по месту, непосредственно на ТОУ	или
Прибор (преобразователь, средство контроля, регулятор и т.д.) устанавливаемый вне ТОУ, на шите, пульте управления, или функция управления, реализуемая микропроцессорным контроллером	или
Обозначение постоянного подключения прибора к трубопроводу, аппарату
То же, при необходимости указания конкретного точки контроля параметра, места расположения отборного устройства или чувствительного элемента датчика, и т.п.
Общее обозначение исполнительного механизма (ИМ)
ИМ, который при прекращении подачи управляющего сигнала открывает регулирующий орган (для клапана – нормально открытый)
ИМ, который при прекращении подачи управляющего сигнала закрывает регулирующий орган (для клапана – нормально закрытый)
ИМ, который при прекращении подачи управляющего сигнала оставляет регулирующий орган в неизменном положении

Первая позиция буквенного обозначения – позиция a на рис. 2 – это основное обозначение измеряемой (регулируемой) величины. Для обозначения измеряемых (регулируемых) параметров ГОСТом определены первые буквы соответствующих английских названий: T – температура; F – расход; L – уровень; P – давление; Q – концентрация; M – влажность; G – положение; S – скорость и т.д. (обозначения для других параметров – см. ГОСТ 21.404-85).

Вторая позиция буквенного обозначения – позиция b на рис. 2 – это дополнительное (не обязательное) обозначение измеряемой (регулируемой) величины.

Важно! В качестве дополнительного обозначения используются только следующие 4 буквы:

Q – интегрирование, суммирование по времени;

J – автоматическое переключение средства контроля между несколькими точками контроля (обегание);

F – соотношение, доля;

D – разность, перепад.

Важно! Если второй символ буквенного обозначения не совпадает ни с одним с одним из этих 4-х вариантов, то это не дополнительное обозначение величины, а обозначение функционального признака ТСА.

Под обозначение функциональных признаков ТСА зарезервированы все оставшиеся позиции буквенного обозначения (позиции g, q, и m на рис. 2). В качестве обозначений используются 5 букв (основной перечень), приведенные в таблице 2.

Важно! При указании нескольких функциональных признаков из основного перечня строго соблюдается приведенный в таблице 2 порядок перечисления обозначений: если, например, средство контроля осуществляет регистрацию измеряемого параметра, переключение при достижении им предельного значения и сигнализацию достижения предельного значения, то порядок указания функциональных признаков будет ISA.

Примеры обозначений ТСА с указанием функциональных признаков из основного перечня приведены на рис. 3.

Таблица 2
Обозначение	Функциональный признак (из основного перечня)
I	Показание (индикация)
R	Регистрация
C	Автоматическое регулирование, управление
S	Включение, отключение, переключение, блокировка
A	Сигнализация

В обозначении ТСА на рис. 3– а вторая буква обозначения (S) не совпадает ни с одним из дополнительных обозначений измеряемой величины, и, следовательно, соответствует единственному функциональному признаку: это измеритель температуры бесшкальный с контактным устройством, установленный по месту, непосредственно на ТОУ, например: температурное реле.

В обозначении ТСА на рис. 3– б вторая буква обозначения (D) совпадает с дополнительным обозначением измеряемой величины, следовательно, только третья и четвертая буквы обозначения соответствуют функциональным признакам: это измеритель перепада давления с блокировкой и сигнализацией, установленный на щите, например: дифманометр бесшкальный с контактным устройством, сигнализирующий.

Обозначении ТСА на рис. 3– в является обозначением регулятора, так как среди указанных функциональных признаков есть обозначение С: это автоматический регистрирующий регулятор температуры, установленный на щите, например: потенциометр.

Кроме основного перечня обозначений функциональных признаков ТСА, приведенного в таблице 2, ГОСТ предусматривает возможность использования обозначений из дополнительного перечня (таблица 3).

Важно! В обозначениях с указанием функционального признака из дополнительного перечня всегда используется только одна из дополнительных букв.

	Таблица 3
Обозначение	Функциональный признак (из дополнительного перечня)	Назначение ТСА
Е	Чувствительный элемент	Первичный измерительный перобразователь контролируемого параметра в сигнал.
Т	Дистанционная передача	ТСА с дистанционной передачей сигнала – средство контроля с нормирующим преобразователем для формирования унифицированного выходного сигнала
K	Станция управления	ТСА с переключателем вида управления, в том числе управляемым дистанционно
Y	Преобразование, вычислительные функции	Для построения обозначений преобразователей сигналов и вычислительных устройств

В ряде случаев кроме последовательности буквенного обозначения, записываемой внутри графического обозначения, используют дополнительный элемент обозначения: надстрочный и/или подстрочный символ, изображаемый рядом с графическим обозначением (рис. 4). Варианты использования дополнительного элемента:

1) в обозначениях с функциональными признаками из основного перечня для указания предельного значения измеряемых величин (H – верхний предел, L – нижний предел);

2) в обозначениях с функциональным признаком из дополнительного перечня для указания:

- операции вычислительного устройства (k – умножение на постоянный коэффициент, S – суммирование, max – ограничение верхнего значения и т.д.);

- рода сигнала (E – электрический, P – пневматический, G – гидравлический) и формы сигнала (A – аналоговый, D – дискретный);

3) в обозначениях ТСА контроля и регулирования концентрации для конкретизации параметра.

На рис. 4– а показано условное обозначение измерителя уровня, установленного по месту, на ТОУ, с индикацией и сигнализацией верхнего и нижнего значений. На рис. 4– б показано условное обозначение измерителя уровня установленное на шиите или пульте управления, с контактным устройством и сигнализацией, например реле уровня, используемого для формирования сигнала блокировки подачи и сигнализации достижения уровнем верхнего предельного значения.

На рис. 4– в показано условное обозначение вычислительного преобразователя, установленного на щите, выполняющего функцию умножения величины расхода на коэффициент k. На рис. 4– г показано условное обозначение преобразователя результата измерения давления, установленного по месту, у которого входной сигнал – пневматический, а выходной – электрический. Обозначение на рис. 4– д соответствует бесшкальному (без индикации показаний) измерителю температуры, установленному по месту, с дистанционной передачей показаний в виде электрического сигнала, например термопаре с унифицированным выходом.

На рис. 4– е приведено обозначение датчика концентрации кислорода, установленного по месту, с индикацией результата контроля, например газоанализатора контроля содержания кислорода в дымовых газах.

Рассмотрим пример чтения схемы автоматизации на примере типовой схемы автоматизации парожидкостного кожухотрубчатого теплообменника (рис. 5).

Важно! При анализе контуров управления следует принимать во внимание следующее: ГОСТом допускается подвод линий связи к символу ТСА изображать в любой точки окружности – сверху, снизу или сбоку. На рис. 5 для удобства чтения схемы автоматизации линия связи, входящая в обозначение регулятора сверху отображает связь с измерительным прибором, на основании показаний которого регулятор вырабатывает команду управления для исполнительного органа. Линяя связи, соответствующая линии передачи команды управления, изображается выходящей из графического обозначения регулятора снизу или сбоку.

Входной поток технологической воды, характеризуемый величиной расхода на подаче в теплообменник F и входной температурой Т_вх, подается в теплообменник, где происходит его нагрев до заданной температуры паром. Поток пара, подаваемого в теплообменник характеризуется расходом F_п и температурой Т_п. В процессе теплопередачи пар конденсируется; конденсат полностью или частично отводится из теплообменника. Целью управления является обеспечение заданного постоянного значения температуры выходного потока воды Т_вых.

Контур регулирования (автоматической стабилизации температуры выходного потока) реализован с использованием регулятора 4 (см. рис. 5). Функция регулирования в буквенном обозначении этого ТСА отображается функциональным признаком С. Кроме функции автоматического регулирования ТСА 4 осуществляет регистрацию измерения температуры (функциональный признак R), а также сигнализацию достижения температурой предельных верхнего или нижнего значений (функциональный признак А) с использованием сигнальных электрических ламп.

Управление температурой реализовано следующим образом: на регулятор 4 поступают данные контроля текущего значения температуры выходного потока, полученные с использованием датчика температуры 1 с унифицированным (нормированным) выходным сигналом. Регулятор 4 сравнивает текущую измеренную температуру с заданным значением, и, в зависимости от знака отклонения, вырабатывает сигнал управления на изменение положения регулирующего органа – клапана в линии подачи пара. В результате расход пара, подаваемого в теплообменник, уменьшается или увеличивается.

Кроме рассмотренного контура регулирования в схеме примера (см. рис. 5) реализован автоматический контроль целого ряда технологических параметров. Характеристика ТСА автоматического контроля приведена в таблице 4.

	Таблица 4
№ ТСА на рис. 5	Тип ТСА	Назначение и характеристики ТСА
2	FIR	Контроль входного расхода пара с индикацией текущего значения и регистрацией результатов измерений с заданной периодичностью.
3	PIR	Контроль входного давления пара с индикацией текущего значения и регистрацией результатов измерений с заданной периодичностью.
5	FIRA	Контроль входного расхода нагреваемой воды с индикацией текущего значения, регистрацией результатов измерений с заданной периодичностью, сигнализацией падения расхода до нижнего допустимого предела и формированием сигнала для работы схемы защиты.
6	PIR	Контроль входного давления нагреваемой воды с индикацией текущего значения и регистрацией результатов измерений с заданной периодичностью.
7	TJIR	Устройство контроля температур технологических потоков с обеганием, т.е. автоматическим переключением между точками контроля. Осуществляет контроль температуры пара на подаче в теплообменник Тп, входной температуры нагреваемой воды Твх и температуры конденсата с индикацией текущего значения и регистрацией результатов измерений с заданной периодичностью.
8	LIR	Контроль уровня конденсата пара в теплообменнике с индикацией текущего значения и регистрацией результатов измерений с заданной периодичностью.

- Текущие значения автоматически контролируемых параметров, указанных в таблице 4, необходимы для нормального пуска, наладки и эксплуатации процесса. Расход пара F_п необходимо знать для расчета технико-экономических показателей процесса на уровне АСУ ТП. Сигнализации подлежат температура Т_вых и расход F нагреваемого вещества. В связи с тем, что резкое падение расхода может послужить причиной выхода из строя теплообменника, схема защиты в этом случае должна перекрывать линию подачи пара [3-7].

Дата добавления: 2014-01-04