1 Системы автоматики 2 Системы автоматики

1 Системы автоматики

2 • Системы автоматики являются программируемыми проектно- компонуемыми изделиями. • Системы автоматики могут быть выполнены в щитах напольного исполнения, переднего или двухстороннего обслуживания. Конфигурация щитов по составу оборудования, его количеству, требованиям к выполняемым функциям определяются проектными решениями. При необходимости в процессе эксплуатации функциональность щитов может быть расширена, за счет аппаратного или программного решения. • Системы автоматики предназначены для управления технологическим оборудованием по заданным алгоритмам в автоматическом или полуавтоматическом режиме, а также для сбора, обработки и передачи информации о состоянии объекта на рабочее место диспетчера.

3 Щиты автоматики Щиты могут объединятся в единую технологическую сеть с последовательными интерфейсами CAN, RS-485, Ethernet, что позволяет создавать глобальные системы автоматики, построенные по централизованному или распределенному принципу. При необходимости системы автоматики осуществляют обмен информацией со смежными АСУ ТП. Установленная в щитах система гарантированного электропитания предотвращает сбои в работе при перерывах в подаче электропитания. Комплексная система защиты от грозовых и коммутационных помех, наводок и перенапряжений, гарантирует надежную работу оборудования в жестких промышленных условиях эксплуатации.

Конфигурации щитов Программируемый логический контроллер Модули удаленного ввода/вывода серии ТМх Измерительные разделительные преобразователи серии ЕТ или ЕТМ Блоки сопряжения серии БС Система гарантированного электропитания 24 В DC Исполнительные реле Термореле Выключатель концевой Устройства защиты каналов связи, телеизмерения и телесигнализации контроллера от перенапряжений наводимых на проводниках серии BZ Устройство защиты от перенапряжений питающей сети 220 В, 50 Гц Вводной автоматический выключатель Розетка 220 В АС Клеммы

5

6 Распределенные системы автоматики Упрощение прикладного программного обеспечения за счет разбиения общей программы управления на ряд простых подпрограмм Повышение быстродействия системы за счет распараллеливания вычислений Возможность пространственного приближения интеллекта к технологическому узлу и сокращение затрат на кабельную продукцию Повышение живучести системы без 100%-го резервирования интеллектуальных ресурсов Возможность резервирования интеллектуальных технических ресурсов в соответствии с принятыми правилами Возможность незапланированного наращивания системы Возможность проведения последовательной реконструкции технологического объекта Возможность создания нормализованных программно-технических комплексов, построенных по модульному принципу

7 Централизованные системы автоматики Необходимость горячего резервирования центрального процессора Сложности при внедрении Сложная исполняемая программа Уникальность исполняемой программы для каждой станции Мощный и как следствие дорогой центральный процессор Невозможность незапланированного наращивания системы

8 Структурная схема АСУ ТП ЛПДС Линейная часть НПС Местный диспетчерский пункт РДП Красноярск Коммуникационн ый контроллер RS-485, MODBUS RTU ПЛК 1 ПЛК 2 ПЛК 1 CAN ПЛК 2 V. 23, МЭК 870 1 14 RS-485, MODBUS RTU ПЛК 13 Система автоматики НПС Рыбная-1 ПЛК 5 Система управления резервуарным парком 1 14 Система измерения и учета нефти в резервуарах

9 Нефтеперекачивающая станция Рыбная-1

10 Структура СА станции Рыбная-1 Верхний уровень Уровень взаимодействия с человеком-оператором и внешней средой Средний уровень Уровень обработки информации и формирования управляющих воздействий Нижний уровень Сенсорно-моторный уровень

11 Структура СА станции Рыбная-1 Первичные средства измерения и датчики технологических параметров Нижний уровень Исполнительные механизмы Аппаратура местного управления и сигнализац

12 Структура СА станции Рыбная-1 Средний уровень Построен на базе микропроцессорных контроллеров ЭЛСИ-Т, свободно программируемых на языках международного стандарта IEC-1131

13 Структура СА станции Рыбная-1 Две серверные машины (рабочая и резервная) Верхний уровень Две рабочих станции оператора МДП (рабочая и резервная) Рабочая станция товарного оператора Системный компьютер

14 Структурная схема распределенной системы автоматики НПС Оператор МДП Диспетчер РДП Система взаимодейств ия с оператором и внешней средой (верхний уровень СА НПС) Коммуникационный контроллер Система управления, контроля и защиты станции Технологическая сеть CAN Система управления магистральным агрегатом № 1 Система управления насосной станцией пенного пожаротушен ия

15 Состав нормализованной серии щитов управления оборудованием Щит управления, контроля и защиты станции Щит приборный Промежуточная Щит управления узлом подключения станции НПС Щит САР-давления Щит управления магистральным агрегатом Щит управления вспомогательными системами МНС Щит управления оборудованием ЩСУ (два исполнения) Щит управления оборудованием ЗРУ Щит управления системой пенного пожаротушения Щит управления подпорным насосным агрегатом Щит управления вспомогательными системами ПНС Щит управления оборудованием ЩСУ Головная НПС

16 Пример экранной формы отображения технологического процесса

17 Пример экранной формы отображения технологического процесса

18 ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Технический контроль – проверка соответствия контролируемого объекта установленным требованиям В ГОСТ 16504 -81 констатируется, что всякий контроль осуществляется в два этапа: 1) получение первичной информации о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств (в первую очередь посредством измерений); 2) сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями и получение вторичной информации о расхождениях фактических и требуемых данных или обнаружение соответствия (несоответствия) фактических данных ожидаемым. Объектами контроля являются продукция, процессы ее создания, эксплуатации, транспортирования, хранения, технического обслуживания и ремонта

20 Основные понятия и определения Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи. Чувствительный элемент – часть первичного измерительного преобразователя, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой величины. Датчик - совокупность измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объекта контроля и осуществляющих измерение заданного параметра и преобразование его в сигналы, воспринимаемые устройством обработки информации.

21 Блок-схема измерения параметра

КЛАССИФИКАЦИИ ДАТЧИКОВ • 1. Классификация по назначению - давления; - температуры и т. д. • 2. Классификация по принципу действия - индуктивные; - емкостные и т. д. • 3. Классификация по выходным сигналам - электрические; - пневматические и т. д. • 4. Классификация по габаритам, массе, инерционности. • 5. Классификация по взаимодействию с объектом контроля - контактные; - бесконтактные • 6. Классификация по измерительной информации - аналоговые; - цифровые; - дискретные; - интеллектуальные.

23 Характеристики датчиков • Функция преобразования измерительного преобразователя — это зависимость выходной величины данного измерительного преобразователя от входной, задаваемая либо аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицей. • Чувствительность преобразователя — это именованная величина, показывающая, насколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу. Для термопары единицей чувствительности будет м. В/К (милливольты на 1 градус Кельвина), для регулируемого электродвигателя — (с-1)/В (обороты в секунду на 1 вольт) и т. д. • Разрешающая способность преобразования — это наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено преобразователем. • Воспроизводимость является мерой того, насколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической величины. • Прецизионность является мерой того, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений. • Точность (погрешность) измерения показывает, насколько показанное датчиком значение параметра близко к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора и в результате представляет собой некоторую абсолютную величину.

Основные требования, предъявляемые к датчикам • 1. Постоянство выходной характеристики Y вых = f ( X вх ) • 2. Достаточная чувствительность S = d Y вых / d X вх = d f ( X вх ) / d X вх • 3. Малая инерционность. • 4. Соответствие необходимому динамическому диапазону измерений. • 5. Суммарная погрешность не больше допустимой (погрешность измерения датчика выбирается в пределах 1/3 … 1/10 допуска измеряемой величины). • 6. Высокая надежность работы с учетом конкретных требований

25 Электроконтактные датчики • строятся на основе преобразователей, которые преобразуют механическое перемещение в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью.

26 Пневмоэлектроконтактные датчики • Применяются для бесконтактного точного измерения размеров. • Принцип действия такого датчика основан на измерении сопротивления истечению воздуха через калиброванное сопло, находящееся на том или ином расстоянии от поверхности. Это расстояние и является контролируемой величиной.

27

28 Реостатные датчики • Реостатными (потенциометрическими) датчиками называются датчики, которые строятся на основе преобразователей, представляющих собой реостат, движок которого движется под действием измеряемой неэлектрической величины. • Входной величиной является при этом механическое перемещение движка, а выходной величиной — изменение сопротивления.

29 Принципиальная схема реостатного датчика Uвх — запитывающее напряжение реостатного датчика; L — длина реостатного датчика; x — измеряемое перемещение; Uвых — напряжение на выходе датчика; Rн — подключаемая нагрузка;

30 Тензорезисторные датчики • В основе работы тензорезисторных датчиков лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. • Тензорезисторные датчики способны измерять деформации порядка одного микрона. • Тензорезисторные датчики бывают трех различных типов: проволочные, фольговые и полупроводниковые. • Проволочные тензодатчики могут быть ненаклеиваемыми и наклеиваемыми, а полупроводниковые — наклеиваемыми и диффузионными.

31

32 Пьезоэлектрические датчики • Механическое воздействие, приложенное определенным образом к пьезоэлектрическому кристаллу, порождает в нем электрическое напряжение, что называется прямым пьезоэффектом. • И, наоборот, электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механическую деформацию, что называется обратным пьезоэффектом. • Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т. е. происходит изменение знака возникающего электрического заряда при замене сжатия растяжением и соответственно изменение знака деформации кристалла при изменении направления электрического поля.

33 Различные принципиальные схемы чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков Используется прямой пьезоэлектричекий эффект. Такие элементы применяются в датчиках силы, давления и ускорения. Обратный пьезоэлектричекий эффект. Такие элементы применяются для излучения акустических, в том числе ультразвуковых колебаний, а также в пьезоэлектрических реле и в исполнительных элементах автоматических систем, перемещающих зеркала оптических приборов и т. д. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Это так называемые пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования на определенной резонансной частоте. Такие пьезоэлектрические преобразователи применяются в качестве резонансных фильтров, пропускающих узкую полосу частот.

34 Датчики производственных параметров на основе эффекта Холла • Эффект Холла применяется для измерения напряженности магнитного поля. Датчики, использующие эффект Холла, относятся к генераторным. Они сами вырабатывают электрическое напряжение, однозначно определяющее характеристики измеряемого магнитного поля. Н – напряженность магнитного поля с напряженностью, I – ток, протекающий вдоль пластины U 0 – разность потенциалов , определяемая выражением: Uo=Кн. IH, где Кн — постоянная Холла, которая зависит от концентрации свободных носителей зарядов (электронов и ионов) в материале пластины.

35 Емкостные преобразователи • Принцип работы емкостных измерительных преобразователей заключается в изменении электрической емкости под действием измеряемой физической величины. Схема емкостного чувствительного элемента Схема дифференциального емкостного чувствительного элемента • Эти датчики чувствительны к температурным колебаниями и изменению влажности.

36 Оптоэлектронные преобразователи • Фоторезисторы представляют собой полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении в результате внутреннего фотоэффекта уменьшает свое сопротивление. • Фотодиоды и фототранзисторы относятся к полупроводниковым приемникам излучения. Фототранзистор представляет собой тот же фотодиод, снабженный усилителем фототока. • Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогенераторном и фотодиодном. В фотогенераторном режиме отсутствует источник внешнего напряжения. • В фотодиодном режиме имеет место подключение внешнего напряжения. При отсутствии облучения под действием этого напряжения в измерительной цепи течет темповой ток, который обычно невелик. При освещении фотодиода ток в измерительной цепи увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

37 Типовые способы измерения производственных параметров

38 Мостовая измерительная схема • R 1, R 2, R 3 - эталонные сопротивления, Rx - измеряемое сопротивление. • Для равновесия моста: R 1 R 3 = R 2 Rx • При соблюдении условий равновесия измерительного моста напряжение на его выходной диагонали будет отсутствовать, т. е. (Uвых =0). При изменении измеряемого сопротивления Rх условия равновесия измерительного моста будут нарушаться и на этой диагонали появится соответствующий электрический сигнал.

39 Дифференциальная измерительная схема

40 Компенсационная измерительная схема • Применяется для использования сигнала от генераторных датчиков. • Суть работы компенсационной схемы состоит в том, что подбирается значение ЭДС источника, равное ЭДС, генерируемой датчиком. • Факт равенства подбираемой и генерируемой датчиком ЭДС определяется по отсутствию тока в соответствующем контуре. • Факт же отсутствия тока в контуре определяется по показаниям прибора, являющегося нуль-индикатором. При этом не требуется измерять абсолютную величину протекающего тока, а требуется лишь определить факт равенства этого тока нулю.

41 В производственной практике принято различать следующие разновидности систем автоматизации • системы автоматической сигнализации, используемые для извещения эксплуатационного персонала о состоянии той или иной рабочей позиции и о протекании производственного процесса в целом и на каждой позиции; • системы автоматического контроля за различными параметрами, характеризующими работу того или иного технологического агрегата и протекание производственного процесса в целом и на каждой рабочей позиции; • системы автоматической блокировки и защиты, предотвращающие возникновение аварийных ситуаций в тех или иных технологических агрегатах при протекании производственного процесса в целом и на каждой рабочей позиции; • системы автоматического пуска и останова для включения, остановки и реверса по заданной программе тех или иных двигателей, используемых в отдельных технологических агрегатах, при протекании производственного процесса в целом и на каждой рабочей позиции; • системы автоматического управления отдельными технологическими агрегатами, а также протеканием производственного процесса в целом и на каждой рабочей позиции.

42 Соответственно с выбранной системой автоматизации переработку производственной информации можно вести с помощью различных технических устройств, к числу которых относятся: • аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи; • усилители; • переключающие и логические элементы; • триггерные и пересчетные схемы; • преобразователи кодов.

43 Аналогово-Цифровой и Цифро-Аналоговый преобразователи

44 Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП, DAC — "Digital-to-Analog Converter") и аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ADC — "Analog-to-Digital Converter") главным образом применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами, с реальным миром. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП преобразует выходные цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы.

45 Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Микросхема ЦАП

46 Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Чаще всего в случае, если ЦАП имеет токовый выход, его выходной ток преобразуется в выходное напряжение с помощью внешнего операционного усилителя и встроенного в ЦАП резистора Rос.

47 Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 4 -х разрядное цифро-аналоговое преобразование

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) В общем случае Uвых= - N * Uref *2^ (-n), где N- входной код; n- количество разрядов входного входа; Uref- опорное напряжение. Таблица 1. Преобразование ЦАП в однополярном режиме Входной код N Выходное напряжение UВЫХ 000… 000 0 000… 001 -2 -n UREF … … 100… 000 -2 -1 UREF … … 111 -(1 -2 -n) UREF

49 Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Некоторые микросхемы ЦАП предусматривают возможность работы в биполярном режиме, при котором выходное напряжение изменяется не от нуля до Uref, а от –Uref до +Uref. При этом выходной сигнал ЦАП Uвых умножается на 2 и сдвигается на величину Uref. Связь между входным кодом N и выходным напряжением Uвых будет следующей: Uвых=Uref(1–N • 21–n)

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Таблица 2. Преобразование ЦАП в биполярном режиме Входной код N Выходное напряжение UВЫХ 000… 000 UREF … … 011… 111 2 -n UREF 100… 000 0 … … 111 -(1 -21 -n) UREF

51 Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Уменьшение разрядности ЦАП

52 Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Преобразование последовательности кодов в выходное напряжение

53 Аналогово-Цифровой преобразователь (АЦП) Микросхема АЦП

54 Аналогово-Цифровой преобразователь (АЦП) Компаратор напряжения

55 Аналогово-Цифровой преобразователь (АЦП) АЦП последовательного типа

56 Аналогово-Цифровой преобразователь (АЦП) 3 -х Разрядная АЦП параллельного типа

57 Аналогово-Цифровой преобразователь (АЦП) Соотношение входного сигнала и динамического АЦП. а, б- входной сигнал меньше динамического диапазона, АЦП будет работать правильно, но не будет использовать всех своих возможностей; в- входной сигнал велик, часть сигнала не будет преобразована; г- АЦП настроена правильно.

58 Аналогово-Цифровой преобразователь (АЦП) Уменьшение количества разрядов выходного кода АЦП

59 Исполнительные механизмы По виду воздействия на состояние системы автоматизации исполнительные механизмы принято подразделять на: • Силовые исполнительные механизмы - создают на своем выходе силу или момент, которые однозначно определяют соответствующее положение рабочего органа. • Параметрические исполнительные механизмы служат для изменения параметров, характеризующих данный рабочий орган. Основными определяющими характеристиками исполнительных механизмов являются: • быстродействие; • точность; • рабочий диапазон; • полоса рабочих частот; • максимальная полезная мощность; • максимальная и номинальная нагрузки; • пусковая и рабочая нагрузки; • мощность, необходимая для управления; • коэффициент полезного действия; • ресурс работы.

60 Классификация исполнительных устройств схем автоматизации

61 Управление при помощи ПЛК

62 Спасибо за внимание!