Средства контроля в системах управления технологическими

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
“Казанский (Приволжский) федеральный университет”
Институт геологии и нефтегазовых технологий
Кафедра высоковязких нефтей и природных битумов
Лабораторная работа.
«Средства контроля в системах управления технологическими
процессами».
Методическое пособие
Казань
1
ВВЕДЕНИЕ
1 Основные термины и определения теории автоматического
управления (ТАУ)
1.1.1 Основные понятия
Системы управления современными химико-технологическими
процессами характеризуются большим количеством технологических
параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для
поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества
выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживать
постоянными или изменять по определенному закону. Данный процесс
называется управлением.
Решение задачи управления такими процессами вручную не всегда
представляется возможным вследствие ограниченности возможностей
операторов по быстродействию, точности, безошибочности действий.
Управление в таких случаях возможно только путем применения
автоматических регуляторов и управляющих устройств (т.е. автоматических
и автоматизированных систем управления). Под разработкой автоматических
систем регулирования понимается, во-первых, выбор соответствующих
регуляторов, датчиков и исполнительных устройств, во-вторых, расчет
настроек для выбранного оборудования.
Теория автоматического
управления (ТАУ) представляет собой математический инструмент для
решения задачи разработки такой системы.
Перед ТАУ ставятся основные задачи:
1) анализ существующих систем управления на предмет определения
качества их функционирования;
2) синтез новых систем управления – разработка методов расчета
настроек регуляторов;
3) решение диагностических задач.
Прежде чем знакомиться с методами ТАУ, необходимо определиться с
основными понятиями, которые будут использованы в дальнейшем.
Физические величины, определяющие ход технологического процесса,
называются параметрами технологического процесса. Например,
параметрами технологического процесса могут быть: температура, давление,
расход, напряжение и т.д.
Параметр
технологического
процесса,
который
необходимо
поддерживать постоянным или изменять по определенному закону,
называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.
Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени
называется мгновенным значением.
2
Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый
момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора,
называется ее измеренным значением.
Объект управления (объект регулирования) – устройство, требуемый
режим работы которого должен поддерживаться извне специально
организованными управляющими воздействиями.
Управление – формирование управляющих воздействий,
обеспечивающих требуемый режим работы объекта управления (ОУ).
Регулирование – частный вид управления, когда задачей является
обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.
Автоматическое управление – управление, осуществляемое без
непосредственного участия человека.
Входное воздействие (Х) – воздействие, подаваемое на вход
системы или устройства.
Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе
системы или устройства.
Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему.
Датчик (Д) – устройство или комплекс устройств, преобразующих
измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный для
дальнейшей передачи и использования. Как правило, технологические
параметры неудобно или невозможно контролировать (наблюдать, выводить
на пульт оператора и т.д.) напрямую без дополнительных технических
средств. Например, температуру нельзя наблюдать визуально, контроль
температуры тела возможен только в сравнении со степенью нагретости
какого-либо другого тела. Чтобы контроль параметров стал возможен,
используют разного рода датчики, которые преобразуют измеряемые
параметры в показания на шкале прибора (показывающие датчики, например,
ртутный термометр), в разность потенциалов (например, термопары) в
сопротивление (термометры сопротивления), в давление (пневматические
датчики).
Датчик измеряет технологический параметр, преобразует его в другой
вид энергии и передает управляющей части.
Управляющая часть реализует алгоритмы управления. В
автоматических системах управления этой частью является регулятор, для
систем ручного управления – человек-оператор. В управляющей части
генерируются управляющие воздействия на объект управления (например,
решения на включение/выключение рубильника, изменения напряжения и
т.д.). Для реализации управляющих воздействий служат исполнительные
устройства (ИУ).
Работа датчиков и исполнительных устройств в отличие от
управляющей части заключается лишь в преобразовании энергии, изменения
3
информации в них практически не происходит (если не считать
погрешности). Поэтому при анализе и синтезе систем управления чаще эти
части СУ опускают, считая их коэффициенты усиления равными «1».
Наиболее часто в ТАУ при расчетах пользуются общей схемой
одноконтурной АСР (см. рисунок 1.7).
На схеме приняты обозначения: x - задающее воздействие (задание),
e = х - у - ошибка регулирования, u - управляющее воздействие, f возмущающее воздействие (возмущение).
Элемент
называется сумматором. Его действие заключается в
суммировании поступающих к нему сигналов. Если какой-либо сектор
сумматора зачернен, то сигнал, поступающий в данный сектор, берется со
знаком «минус». Поэтому в данной схеме ошибка е определяется как
разность между х и у.
сумматор
x
f
e
Р
u
ОУ
y
Рисунок 1.7
Определения:
Задающее воздействие (то же, что входное воздействие х) воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения
регулируемой величины).
Управляющее воздействие (u) - воздействие управляющего
устройства на объект управления.
Управляющее устройство (УУ) - устройство, осуществляющее
воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого
режима работы.
Возмущающее воздействие (f) - воздействие, стремящееся
нарушить требуемую функциональную связь между задающим
воздействием и регулируемой величиной.
Ошибка управления (е = х - у) - разность между предписанным (х)
и действительным (у) значениями регулируемой величины.
Регулятор (Р) - комплекс устройств, присоединяемых к
регулируемому
объекту
и
обеспечивающих
автоматическое
поддержание заданного значения его регулируемой величины или
автоматическое изменение ее по определенному закону.
Автоматическая система регулирования (АСР) - автоматическая
система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u)
вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с
заданным значением х.
4
Дополнительная связь в структурной схеме АСР, направленная от
выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется
обратной связью (ОС). Обратная связь может быть отрицательной или
положительной.
Принцип функционирования одноконтурной АСР: регулятор
производит постоянное сравнение текущего значения регулируемой
величины у с заданным значением х, определяя ошибку е = х – у. Если
текущее значение равно заданному, то регулятор не изменяет управляющее
воздействие (АСР работает в установившемся режиме), в противном случае
управляющее воздействие на объект u изменяется в соответствии с
величиной ошибки. Чем больше ошибка регулирования (и дольше она
наблюдается), тем больше изменение управляющего воздействия.
Данная схема справедлива как для автоматического, так и для ручного
управления. При ручном регулировании человек-оператор, наблюдая за
показаниями датчиков, мысленно сравнивает их с заданными значениями,
т.е. определяет величину ошибки регулирования и, исходя из этого, решает,
какие действия предпринимать.
1.1.2 Классификация автоматических систем регулирования
1 По назначению (по характеру изменения задания):
 стабилизирующая АСР - система, алгоритм функционирования
которой содержит предписание поддерживать регулируемую величину на
постоянном значении (x=const);
 программная АСР - система, алгоритм функционирования
которой содержит предписание изменять регулируемую величину в
соответствии с заранее заданной функцией (x изменяется программно,
например, как функция времени);
 следящая АСР - система, алгоритм функционирования которой
содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости
от заранее неизвестной величины на входе АСР (x изменяется
произвольно).
2 По количеству контуров:
 одноконтурные - содержащие один контур регулирования (одну
обратную связь по регулируемому параметру),
 многоконтурные
содержащие
несколько
контуров
регулирования (несколько обратных связей, например, по нескольким
параметрам, по скорости/ускорению изменения параметра и т.д.).
3 По числу регулируемых величин:
 одномерные - системы с 1 регулируемой величиной,
5
 многомерные
величинами.
-
системы
с
несколькими
регулируемыми
Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы:
а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы
непосредственно не связаны и могут взаимодействовать только через
общий для них объект управления;
б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных
параметров одного и того же технологического процесса связаны
между собой вне объекта регулирования.
4 По функциональному назначению:
АСР температуры, давления, расхода, уровня, напряжения и т.д.
5 По характеру используемых для управления сигналов:
 непрерывные,
 дискретные (релейные, импульсные, цифровые).
6 По характеру математических соотношений:
 линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции;
 нелинейные.
Примечание - Если на вход объекта подается несколько входных
воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий
равна сумме реакций объекта на каждое
х1
у
объект
х2
воздействие в отдельности:
(х1 + х2) = (х1) + (х2),
Рисунок 1.8
где  - линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т.д.). Данный принцип называется принципом
суперпозиции (наложения).
7 По виду используемой для регулирования энергии:
 пневматические,
 гидравлические,
 электрические,
 механические и др.
8 По наличию внутреннего источника энергии

системы прямого действия,

системы с вспомогательным источником энергии.
9 По принципу регулирования:
 по отклонению:
Подавляющее большинство
f
систем построено по принципу
e
u ОУ
x
Р
обратной связи - регулирования
по отклонению (см. рисунок 1.9).
Рисунок 1.9
6
Принцип действия такой системы
рассмотрен выше.

по возмущению.
Данные системы могут быть
использованы в том случае, если есть
К
возможность
измерения
u ОУ
y
возмущающего
воздействия
(см.
рисунок 1.10).
Рисунок 1.10
На схеме обозначено К корректирующее звено.
комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих
f

АСР.
Данный способ (см. рисунок 1.11) достигает высокого качества
управления, поскольку здесь идет коррекция управляющего воздействия не
только по величине ошибки, но и по возмущающему воздействию, однако
применение данного способа регулирования ограничено тем, что
возмущающее воздействие f не всегда возможно измерить.
К
x
e
u
Р
f
ОУ
у
Рисунок 1.11
1.1.3 Классификация элементов систем
Системы управления строятся из элементов (устройств, к числу
которых можно отнести регуляторы, датчики, исполнительные устройства, а
также элементы объекта управления). Элементы СУ также можно
классифицировать по нескольким признакам.
1 По функциональному назначению:
 измерительные,
 усилительно-преобразовательные,
 исполнительные,
 корректирующие.
2 По виду энергии, используемой для работы:
 электрические,
 гидравлические,
 пневматические,
7
 механические,
 комбинированные.
3 По наличию или отсутствию вспомогательного источника
энергии:
 активные (с источником энергии),
 пассивные (без источника).
4 По характеру математических соотношений:
 линейные – для которых справедлив принцип суперпозиции,
 нелинейные.
5 По поведению в статическом режиме:
 статические, у которых имеется однозначная зависимость между
входным и выходным воздействиями (состояние статики). Примером
является любой тепловой объект. Например, если на вход электрического
нагревателя подать некоторое напряжение, то с течением времени его
температура установится на соответствующем значении (вид зависимости
температуры от времени может иметь вид, представленный на рисунке
1.12, а). При этом установившаяся температура будет зависеть от
величины поданного напряжения.
, рад.
Т, °С
Туст
t
t


а)
б)
 Рисунок 1.12
 астатические - у которых эта зависимость отсутствует. То есть,
при постоянном входном воздействии амплитуда сигнала на выходе
непрерывно растет с постоянной скоростью, ускорением и т.д. Пример:
Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного
напряжения. При подаче напряжения угол поворота будет постоянно
возрастать, поэтому однозначной зависимости у него нет (пример см. на
рисунке 1.12, б).
1.2 Характеристики и модели элементов и систем
1.2.1 Основные модели
Работу системы регулирования можно описать словесно. Словесное
описание помогает понять принцип действия системы, ее назначение,
8
особенности функционирования и т.д. Однако, что самое главное, оно не дает
количественных оценок качества регулирования, поэтому не пригодно для
изучения характеристик систем и построения систем автоматизированного
управления. Вместо него в ТАУ используются более точные математические
методы описания свойств систем:
 статические характеристики,
 временные характеристики,
 дифференциальные уравнения,
 передаточные функции,
 частотные характеристики и др.
В любой из этих моделей система
F
может быть представлена в виде звена,
имеющего
входные
воздействия
Х,
X
Y
звено
возмущения F и выходные воздействия Y (см.
Рисунок 1.13
рисунок 1.13). Под влиянием входных
воздействий выходная величина может
изменяться.
Установившийся режим - это режим, при котором расхождение
между истинным значением регулируемой величины и ее заданным
значением будет постоянным во времени.
1.2.2 Статические характеристики
Статической характеристикой элемента
называется
зависимость
установившихся
значений выходной величины от значения
ууст
величины на входе системы, т.е.
х
yуст = (х).
Рисунок 1.14
Статическую характеристику (см. рис.
1.14) часто изображают графически в виде
кривой у(х).
Линейным статическим элементом называется безынерционный
элемент, обладающий линейной статической характеристикой:
ууст = К*х + а0.
Как видно, статическая характеристика элемента в данном случае
имеет вид прямой с коэффициентом наклона К.
Линейные статические характеристики, в отличие от нелинейных,
более удобны для изучения благодаря своей простоте. Если модель объекта
9
нелинейна, то обычно ее преобразуют к линейному виду путем
линеаризации.
САУ называется статической, если при постоянном входном
воздействии ошибка управления е стремится к постоянному значению,
зависящему от величины воздействия.
САУ называется астатической, если при постоянном входном
воздействии ошибка управления стремится к нулю вне зависимости от
величины воздействия.
1.2.3 Временные характеристики
Переход системы от одного установившегося режима к другому при
каких-либо входных воздействиях называется переходным процессом.
Переходные процессы могут изображаться графически в виде кривой y(t).
Например,
процесс
у, С
нагрева сушильного шкафа до
ууст
установившегося
значения
может
иметь
вид,
представленный на рисунке
t
1.15.
Рисунок 1.15
То есть переходный
процесс
характеризует
динамические свойства системы,
ее поведение.
Следует различать динамические и статические характеристики,
поскольку они строятся в разных координатах и характеризуют различные
свойства системы. Зная набор динамических характеристик при различных
входных воздействиях, можно построить статическую характеристику, но по
статической характеристике восстановить динамику невозможно.
Поскольку входные воздействия могут изменяться во времени, то и
переходные характеристики будут каждый раз разные. Для простоты анализа
систем входные воздействия приводят к одному из типовых видов сигналов
(см. рисунок 1.16).
x
x
x
x
1
t
t
а) единичный
ступенчатый
сигнал
t
t
в) линейный
б) -функция
(дельта-функция,
сигнал
импульс)
Рисунок 1.16
10
г) синусоидальный
(гармонический)
сигнал
В зависимости от вида входного воздействия функция у(t) может иметь
разное обозначение:
Переходной характеристикой h(t) называется реакция объекта на
единичное ступенчатое воздействие (сигнал) при нулевых начальных
условиях, т.е. при х(0) = 0 и у(0) = 0.
Импульсной характеристикой (t) называется реакция объекта на
-функцию при нулевых начальных условиях.
При подаче на вход объекта синусоидального сигнала на выходе, как
правило, в установившемся режиме получается также синусоидальный
сигнал, но с другой амплитудой и фазой: y = Aвых*sin(*t + ), где Aвых амплитуда,  - частота сигнала,  - фаза.
Частотной характеристикой (ЧХ, АФХ и др.) называется
зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала системы в
установившемся режиме при приложении на входе гармонического
воздействия.
3.1 Измерения технологических параметров
3.1.1 Государственная система приборов (ГСП)
ГСП объединяет в себе все средства контроля и регулирования
технологических процессов. Характерной особенностью ГСП является:
1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций
устройств;
2) унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания.
Содержит три ветви:
1) гидравлическую,
2) пневматическую,
3) электрическую.
Блочно-модульный принцип характеризуется наличием отдельных
модулей или блоков, выполняющих достаточно простую функцию. Этот
принцип позволяет уменьшить номенклатуру средств автоматизации,
упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость, позволяет реализовать
принцип взаимозаменяемости.
Унифицированные сигналы:
1) Пневматические - сигналы давления сжатого воздуха
кгс
диапазон изменения сигнала: 0,2 - 1
или 0,02 - 0,1 МПа;
2
см
кгс
сигнал питания:
1,4
;
2
см
11
расстояние передачи сигнала:
до 300 м.
2) Электрические сигналы имеют много диапазонов, которые можно
разделить на две группы:
а) токовые (сигналы постоянного тока), например:
0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА и др.;
б) сигналы напряжения постоянного тока, например: 0 - 1 В, 0 - 10 В и
др.
Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый
параметр в какой-либо унифицированный сигнал. Если же датчик выдает
неунифицированный сигнал, то для приведения его к стандартному
диапазону должен быть установлен соответствующий преобразователь.
3.1.2 Основные определения
Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение
величины находят непосредственно из опытных данных.
Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение
величины находят на основании зависимости между этой величиной и
величинами, подвергаемыми, прямым измерениям.
Принцип измерений – совокупность физических явлений, на
которых основаны измерения.
Метод измерений – совокупность приемов использования
принципов и средств измерений.
Средство измерений – техническое средство, используемое при
измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.
Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения
физической величины заданного размера.
Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное
для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной
для непосредственного восприятия наблюдателем.
Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор,
показания которого являются непрерывной функцией изменений
измеряемой величины.
Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор,
автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной
информации, показания которого представлены в цифровой форме.
Показывающий измерительный прибор – измерительный
прибор, допускающий только отсчитывание показаний.
Показания средства измерений – измерение величины,
определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых
единицах этой величины.
12
Градуировочная характеристика средства измерений –
зависимость между значениями величин на выходе и входе средства
измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы.
Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная
конечным и начальным значениями шкалы.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины,
для которой нормированы допускаемые погрешности средства
измерений.
Предел измерений – наибольшее и наименьшее значения
диапазона измерений.
Чувствительность измерительного прибора – отношение
изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему
его изменению измеряемой величины.
Любые измерения сопровождаются погрешностями:
1) случайные погрешности - имеют случайную природу и причина
их неизвестна;
2) промахи - вызваны неправильными отсчетами по прибору;
3) систематические - обусловлены несовершенством методов
определения, конструкции прибора.
Виды погрешностей:
1) абсолютные: Х = Х - Х0,
где Х - измеренное значение параметра, Х0 - истинное значение.
Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения,
выраженная в единицах измеряемой величины.
Х
2) относительные:  
100% (выраженные в процентах);
Х0
Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной
погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины.
Относительная погрешность может быть выражена в процентах.
Х
3) приведенные:  
100% ,
Х max  Х min
где Хmin и Хmax - минимальное и максимальное значения измеряемой
величины.
Максимальная приведенная погрешность называется классом
точности:
Х max

100 % .
Х max  Х min
В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные
(образцовые) и рабочие.
13
3.1.3 Классификация контрольно-измерительных приборов
На нефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее
часто измеряемыми величинами являются температура, давление, расход и
уровень. На них приходится около 80 % всех измерений. Остальную часть
занимают электрические, оптические и другие измерения.
При измерениях используются различные измерительные приборы,
которые классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является
разделение их на приборы для измерения: механических, электрических,
магнитных, тепловых и других физических величин.
Классификация по роду измеряемой величины указывает, какую
физическую величину измеряет прибор (давление Р, температуру Т, расход F,
уровень L, количество вещества Q и т.д.).
Исходя из признака преобразования измеряемой величины,
измерительные приборы разделяют на приборы:
а) непосредственной оценки;
б) сравнения.
По характеру измерения: стационарные и переносные.
По способу отсчета измеряемой величины: показывающие,
регистрирующие, суммирующие.
3.1.4 Виды первичных преобразователей
Первичные
приборы
или
первичные
преобразователи
предназначены для непосредственного преобразования измеряемой
величины в другую величину, удобную для измерения или использования.
Различают генераторные, параметрические и механические преобразователи:
1) Генераторные осуществляют преобразование различных видов
энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию
(термоэлектрические,
пьезоэлектрические,
электрокинетические,
гальванические и другие датчики).
2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики,
термосопротивления и т.п. Им для работы необходим источник энергии.
3) Выходным сигналом механических первичных преобразователей
(мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др.) является
усилие, развиваемое чувствительным элементом под действием
измеряемой величины.
3.1.5 Методы и приборы для измерения температуры
3.1.5.1 Классификация термометров
Температура вещества - величина, характеризующая степень
нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией
теплового движения молекул. Измерение температуры практически
возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел.
14
Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо
физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся
измерению.
По свойству термодинамического тела, используемого для измерения
температуры, можно выделить следующие типы термометров:
 термометры
расширения,
основанные
на
свойстве
температурного расширения жидких тел;
 термометры
расширения,
основанные
на
свойстве
температурного расширения твердых тел;
 термометры газовые манометрические;
 термометры жидкостные манометрические;
 конденсационные;
 электрические;
 термометры сопротивления;
 оптические монохроматические пирометры;
 оптические цветовые пирометры;
 радиационные пирометры.
3.1.5.2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные
Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным
коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется
как
Vt  Vt
, 1/град,
 t ,t 
V0 ( t 2  t 1 )
1
1
2
2
где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 С, температурах t1 и t2
соответственно.
Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов
объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема
резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно
лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для некоторых специальных термометров
100…200 мм/С).
Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в
металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается
металлической гильзой.
3.1.5.3 Термометры, основанные на расширении твердых тел
К этой группе приборов
относятся дилатометрические и
биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров
твердых тел с изменением температуры.
15
1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров
основано на преобразовании измеряемой температуры в разность
абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из
материалов с существенно различными термическими коэффициентами
линейного расширения:
lt  lt
, 1/град,
 t ,t 
l0 (t 2  t1 )
1
1
2
2
где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 С, температурах t1 и t2
соответственно.
В силу того, что  мала, дилатометрические термометры применяются
в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и
регулирования температуры.
2) Биметаллические термометры основаны на деформации
биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются
биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали.
Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол
поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который
пропорционален изменению температуры.
Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с
относительными погрешностями 1 - 1,5 %.
3.1.5.4 Газовые манометрические термометры
В основу принципа действия манометрического термометра положена
зависимость между температурой и давлением
термометрического
(рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при
нагревании.
Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон,
капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и
стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании
термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление
рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение
давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует
через передаточный механизм на стрелку или перо прибора.
Газовые манометрические термометры основаны на зависимости
температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой
термосистеме.
Достоинства: шкала прибора практически равномерна.
Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры
термобаллона.
16
3.1.5.5 Жидкостные манометрические термометры
В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа
применяется метиловый спирт , ксилол, толуол, ртуть и т.д.
Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную
шкалу.
3.1.5.6 Конденсационные манометрические термометры
Конденсационные
манометрические
термометры
реализуют
зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от
температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей
(хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны,
следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы
обладают более высокой чувствительностью, чем газовые жидкостные.
3.1.5.7 Электрические термометры
Принцип действия этого типа термометров
основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от
t0
изменения температуры.
В
А
В термоэлектрической цепи, состоящей из двух
проводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные
ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС
t
на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В.
Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев
Рисунок 2.1
проводников до температур t и t0:
EAB(t t0) = eAB(t) + eBA(t0),
где eBA и eAB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов
и разностью температур концов А и В.
ТЭДС EAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t при
условии постоянства температуры холодного спая t0.
Термопары градуируются при определенной постоянной температуры
t0 (обычно t0 = 0 C или 20 C). При измерениях температура t0 может
отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится
соответствующая поправка в результат измерения:
EAB(t t0) = EAB(t t0’) + EAB(t0’t0).
Поправка EAB(t0’t0) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара
при температуре горячего спая t0’ и градуировочном значении температуры
холодных спаев. Поправка берется положительной, если t0’ > t0, и
отрицательной, если t0’ < t0.
Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы.
17
Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит
главным образом от условий их применения. При необходимости измерения
небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются
дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой
несколько последовательно соединенных термопар.
Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар.
Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве
температур свободных спаев t0. Оно обеспечивается с помощью
соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств.
Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса
свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а
также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам
измерительных приборов. Соединительные провода должны быть
термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары.
Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из
неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и
термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара,
для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве
соединительных проводов применяется медь в паре с константаном.
Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые (по международной
классификации – градуировка К); ХК - хромель-копелевые (L); ПП
платинородий-платиновые (S) и др.
Требования к термопарам:
1) воспроизводимость,
2) высокая чувствительность,
3) надежность,
4) стабильность,
5) достаточный температурный диапазон.
18
Таблица 2.1 - Материалы, используемые для изготовления термопар
Названи
Состав
ТЭДС, мВ
Максималь
е
темпер.
(при t0 = 0 C и t1 = ный
предел, C
100 C)
Хромел
10% Cr +
+2,95
1000
ь
90 % Ni
Платин
90 % Pt +
+0,86
1300
ородий
10 % Rh
Медь
Cu
+0,76
350
Платина
Pt
0
1300
Алюмел
95 % Ni +
-1,2
1000
ь
5 % Al
Копель
56 % Cu +
-4
600
44 % Ni
Констан
60 % Cu +
-3,4
600
тан
40 % Ni
Е, мВ
ТХК
40
ТХА
30
20
ТПП
10
200
400 600 800 1000 1200 1400 1600
t, С
Рисунок 2.2 – Градуировочные характеристики термопар
Методы и средства для измерения ТЭДС:
1) Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра);
2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров).
3.1.5.8 Термометры сопротивления
Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве
проводников
и
полупроводников
изменять
свое
электрическое
сопротивление при изменении температуры.
19
Вид функции R = f(t) зависит от природы материала и может быть
записан как линейное уравнение
R = R0.(1 + .t),
где  - температурный коэффициент сопротивления, t – температура.
Для
изготовления
чувствительных
элементов
серийных
термосопротивлений
применяются
чистые
металлы,
к
которым
предъявляются следующие требования:
а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с
измеряемой средой;
б) температурный коэффициент электрического сопротивления
металла  должен быть достаточно большим и неизменным;
в) функция R = f(t) должна быть однозначна.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь,
никель, железо и др.
Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность
(до 10 мин).
Для измерения температуры наиболее часто применяются
термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).
3.1.5.9 Пирометры излучения
Пирометры излучения основаны на использовании теплового
излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра
излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном
способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемое
введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду.
Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых
потоков при больших скоростях.
Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной
длины. При сравнительно низких температурах (до 500 С) нагретое тело
испускает инфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от
темно-красного доходит до белого. Возрастание интенсивности
монохроматического излучения с повышением температуры описывается
соответствующими уравнениями.
3.1.5.10 Цветовые пирометры
В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности
излучения реального тела Е в лучах с двумя заранее выбранными
значениями длины волны 1 и 2, то есть показания цветовых пирометров
определяются функцией f(Е1 / Е2). Это отношение для каждой температуры
различно, но однозначно.
20
3.1.6 Вторичные приборы для измерения разности потенциалов
Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров
применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры. В
потенциометрах, в отличие от милливольтметров, используется
компенсационный метод измерения.
3.1.6.1 Пирометрические милливольтметры
Пирометрические
милливольтметры
являются
электроизмерительными
приборами
1
магнито-электрической системы.
В
конструкции
пирометрических
3
2
милливольтметров можно выделить магнитную и
4
подвижную системы (см. рисунок 2.3). Первая
состоит из подковообразного магнита 1, полюсных
наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3.
Рисунок 2.3
Кольцевой зазор между сердечником и полюсными
наконечниками
характеризуется
наличием
практически равномерного электромагнитного поля.
В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая
монтируется на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых
нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки, создается
специальными пружинами.
Взаимодействие тока, протекающего по рамке, с полем постоянного
магнита 2 вызывает появление вращающего момента, который, будучи
уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку
на определенный угол. Этот угол пропорционален величине протекающего
по рамке тока.
21
3.1.6.2 Потенциометры
RАВ
А
Потенциометры в отличие от
милливольтметров
работают
по
компенсационному
(нулевому)
методу
измерения.
Принцип
компенсации
при
измерении
ТЭДС
заключается
в
уравновешивании
ее
известным
напряжением
U
на
калибровочном
резисторе RАВ, созданным вспомогательным
источником тока. Ток от вспомогательного
источника проходит через реохорд RAB.UAB
пропорционально RАВ (в точке D находится
движок реохорда).
Последовательно с термопарой,
генерирующей
ТЭДС,
включен
милливольтметр НП (нуль-прибор) с нулем
в середине шкалы. Передвигая движок D,
добиваются уравновешивания ΔU и E(t t0).
В
D
НП
ΔU
Е(t t0)
Рисунок 2.4
3.1.6.3 Автоматические электрические потенциометры
Rн
А
Rр
Rш
Е
Rк
Rп
В
Rм
ИПС
Rб
D
Rс
С
УЭД
Схема автоматическогоРисунок
потенциометра
показана на рисунке 2.5, где
2.5
обозначено:
Rp - сопротивление реохорда,
Rш - шунта,
Rп - для задания пределов измерения,
Rн и Rк - для задания начала и конца шкалы,
Rб - балластное,
Rс - для поверки рабочего тока,
Rм - медное сопротивление для компенсации влияния
температуры холодных спаев.
22
ИПС - источник питания стабилизированный.
Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из
диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в
другую (измерительную диагональ АD) термопара с ТЭДС Е и
электродвигатель ЭД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится
реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль
шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель.
Мост может находиться в двух состояниях: уравновешенном и
неуравновешенном.
Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его
вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение
небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю:
ΔU = UAD – Е = 0.
В данном состоянии ЭД не работает.
Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то мост выходит
из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU
≠ 0. Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь,
перемещает движок реохорда. Перемещение движка продолжается до тех
пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не
станет равно нулю.
В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется
автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют
устройства для автоматического внесения поправки на температуру
холодных спаев термопары.
3.1.7 Методы измерения сопротивления
Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений
(ТС) часто используют автоматические электронные мосты, включенные по
двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам.
Двухпроводная схема подключения моста к ТС показана на рис. 2.6,
где обозначены:
R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста;
Rб - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока;
Rт - сопротивление ТС;
Rл - сопротивление линии (соединительных проводов).
Условием равновесия моста является равенство произведений
противолежащих плечей, т.е. в данном случае:
R1.R3  R2.(R4 + Rт + 2.Rл).
23
Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали UAD = 0 и,
следовательно, ЭД не работает. При изменении температуры объекта
изменяется Rт и UAD перестает быть нулевым. Это напряжение усиливается
УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда.
R4
Rл
А
Rр
Rш
R3
Rп
Rт
Rл
ИП
В
объект
R1
улица
D
Rб
С
УЭД
R2
в операторской
Рисунок 2.6
Rл
R4
Rт
В
Rл
Rл
R1
Рисунок 2.7
Недостатком такой схемы является
то, что сопротивления линии входят в одно
плечо с Rт, следовательно, изменение Rл
может вызывать изменение показаний моста.
Для
компенсации
Rл
применяются
трехпроводная или четырехпроводная схемы.
Трехпроводная схема подключения
моста (см. рисунок 2.7).
В этом случае уравнение равновесия
имеет вид
(R1 + Rл).R3  R2.(R4 + Rт + Rл).
То есть сопротивление линии Rл входит в
обе
части
уравнения
и
частично
компенсируется.
24
3.1.8 Методы и приборы для измерения давления и разряжения
3.1.8.1 Классификация приборов для измерения давления
Под давлением в общем случае понимают предел отношения
нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие.
В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует
абсолютное давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало
отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как
давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно,
Рбар достигнуть Ра = 0 невозможно.
Барометрическое давление Рбар - давление,
Ра
оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней
предметы.
Избыточное давление представляет собой
Рисунок 2.8
разность между абсолютным и барометрическим
давлениями:
Ри = Ра - Рбар
Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения.
Классификация приборов для измерения давления:
I. По принципу действия:
1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом
жидкости);
2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней
силой, действующей на поршень);
3) пружинные (давление измеряется по величине деформации
упругого элемента);
4) электрические (основанные на преобразовании давления в какуюлибо электрическую величину).
II. По роду измеряемой величины:
1) манометры (измерение избыточного давления);
2) вакуумметры (измерение давления разряжения);
3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и
давления разряжения);
4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений);
5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения);
6) тягонапорометры;
7) дифманометры (для измерения разности давлений);
8) барометры (для измерения барометрического давления).
25
3.1.8.2 Жидкостные манометры
Широко применяются в качестве образцовых
Р1
Р2
приборов для лабораторных и технических измерений.
В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода,
h
ртуть, масла.
Двухтрубный манометр представляет собой Uобразную трубку, заполненную затворной жидкостью.
Давление в каждой трубке связано с уровнями
Рисунок 2.9
как
P1    g  h1 и P2    g  h 2 ,
где h1 и h2 – уровни в трубках.
Тогда о разности давлений Р = Р1 – Р2 можно судить по разности
уровней h = h1 – h2:
P    g  h .
3.1.8.3 Чашечные манометры и дифманометры
Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью Uобразного трубного манометра (см. рис. 2.10), у которого одна из трубок
заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Ра,
действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки
совмещен с атмосферой.
Уравнение равновесия:
Рбар
Ра
Р =  g (h + H).
Чашечные
и
трубные
h
манометры применяются для тарировки
Н
и поверки рабочих приборов, реже - в
качестве рабочих приборов.
Рисунок 2.10
3.1.8.4 Микроманометры
Применяются
для
Ра
измерения
давлений,
меньших 100 - 200 мм
водяного
столба.
Представляют
собой
жидкостной манометр с
2.11 трубкой.
наклоненной под Рисунок
углом 20…50
h = L.sin() - высота поднятия уровня
жидкости в узкой трубке,
P = .g.h - измеренное давление.
Погрешность:  1,5 %.
26
L
1
2
h

4
3
Р
Рисунок 2.12
3.1.8.5 Пружинные манометры
Состоят из трубчатой пружины 1 с поводком, зубчатого сектора 3 и
шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2.
При увеличении давления трубчатая пружина стремится разогнуться, в
результате чего она через поводок начинает воздействовать на зубчатый
сектор, отклоняя стрелку.
3.1.8.6 Электрические манометры. Преобразователи давления типа
"Сапфир"
Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значения
измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения,
разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный
токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.).
Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9
(см. рисунок 2.13). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена
кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к
основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой.
Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен
прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через
жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее
1
10
2
3
4
9
5
8
6
7
Рисунок 2.13
27
прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический
сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по
проводам через гермовывод 2.
Преобразователи
«Сапфир-22ДА»
моделей
2050
и
2060,
предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что
полость 10 вакуумирована и герметизирована.
Преобразователи «Сапфир22ДД» моделей 2410, 2420, 2430,
2434, 2440 и 2444 (см. рисунок
2.14),
предназначенные
для
измерения разности давлений,
отличаются тем, что в них
используется тензопреобразователь
мембранно-рычажного
типа, который размещен внутри
основания в замкнутой полости,
заполненной
кремнийорганической
жидкостью,
и
отделен
от
измеряемой
среды
двумя
металлическими
гофрированными мембранами.
Мембраны соединены между
собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу
тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя.
Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из
монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al2O3) с
кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на
сапфире).
Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из
измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через
гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие
односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это
обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на
профилированную поверхность основания 9.
28
3.1.9 Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и
жидкости
3.1.9.1 Классификация
Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в
3
м или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности
может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие
насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического
состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество
сыпучего материала определяется взвешиванием.
Расходом вещества называется количество вещества, проходящее
через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход
измеряется в кг/с, объемный - в м3/с.
Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти
приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они
называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять
расход и количество вещества.
Классификация:
Механические
объемные
ковшовые
барабанного типа
мерники
скоростные
по методу переменного перепада давления
по методу постоянного перепада давления
напорные трубки
ротационные
Электрические
электромагнитные
ультразвуковые
радиоактивные
3.1.9.2 Метод переменного перепада давления
Является самым распространенным и изученным методом измерения
расхода жидкости, пара и газа.
В измерительной технике сужающими устройствами являются
диафрагмы, сопла и сопла Вентури.
Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые
представляют собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы
его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения
29
трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы. Затем на
некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток
сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется до
полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны
с вихревым движением.
I - I - сечение потока до
I
II
искажения формы.
II - II - сечение в месте
максимального сужения.
Рп - потери давления на
трение и завихрения.
I
II
Р
Разность давлений Р1 Рп
Р2 нелинейно зависит от
Р1
расхода
среды,
Р2
протекающей
через
Рисунок 2.15
трубопровод:
F  K P1  P2 ,
где K – коэффициент, зависящий от сечения трубы, вязкости жидкости,
шероховатости стенок.
В случае использования сопла струя, протекающая через него, не
отрывается от его профилированной части и поэтому Рп меньше.
Еще меньше потери Рп в сопле Вентури.
Д
Т
ДМ
Рисунок 2.16
Перепад
давления
измеряется
дифманометрами. Комплект расходомера состоит
из элементов:
1) сужающее устройство (Д);
2) импульсные трубки (Т);
3) дифманометр (ДМ).
В качестве дифманометров обычно
используются преобразователи разности давлений
типа «Сапфир - 22ДД».
Поскольку зависимость между расходом и перепадом давления
нелинейна, то либо используется нелинейная шкала показывающего прибора,
либо специальные устройства извлечения корня из поступающего с ДМ
сигнала.
30
3.1.9.3 Расходомеры постоянного перепада давления
К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые,
ротаметрические расходомеры.
Наиболее
распространенными
приборами группы расходомеров постоянного

перепада давления являются ротаметры (см.
рис. 2.17), которые имеют ряд преимуществ
перед расходометрами переменного перепада
Н
давления:
а) потери Рп незначительны и не зависят
от расхода;
б) имеют большой диапазон измерения и
F
позволяют измерять малые расходы.
Принцип действия основан на
Рисунок 2.17
измерении
положения
Н
поплавка,
вращающегося в расширяющейся кверху
трубке под влиянием направленной вверх
струи.
F - расход проходящего через трубку газа или жидкости,
 - угол наклона стенок трубки.
Зависимость Н от F нелинейна, но в начальном и среднем участках
равномерность делений шкалы искажается в незначительной степени.
Отсутствие прямой зависимости между F и Н требует индивидуальной
градуировки каждого прибора.
Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое
наносится шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или
диска.
3.1.9.4 Расходомеры переменного уровня
Используются для измерения расходов смесей продуктов, содержащих
твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред.
31
Qвх
2
1
4
3
Qвых
Рисунок
2.18
Измерения осуществляются при атмосферном давлении. Состоит из
элементов (см. рисунок 2.18): 1 - калиброванный сосуд, 2 - уровнемерное
стекло, 3 - отверстие в днище, 4 - перегородка для
успокоения потока.
3.1.9.5 Расходомеры скоростного напора
Измерение расхода основано на зависимости
динамического напора от скорости потока
измеряемой среды.
Рисунок 2.19
Дифманометр, соединяющий обе трубки,
показывает динамическое давление, по которому
судят о скорости потока и, следовательно, о расходе.
3.1.10 Методы и приборы для измерения уровня
3.1.10.1 Методы измерения уровня
В общем объеме измерительных операций в нефтепереработке,
нефтехимии и газовой промышленности измерение уровня составляет 18 - 20
%.
Под измерением уровня понимается индикация положения раздела
двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной
поверхности, принятой за начало отсчета. Приборы, выполняющие эту
задачу, называются уровнемерами.
Методы измерения уровня: 1) поплавковый, 2) буйковый, 3)
гидростатический, электрические и др.
32
3.1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня
Поплавковый уровнемер построен по принципу использования
выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент представляет
собой тело произвольной формы (поплавок), плавающее на поверхности
жидкости и имеющее постоянную осадку. Поплавок перемещается
вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня
определяется фиксацией положения поплавка.
3.1.10.3 Буйковые уровнемеры
Действие буйкового уровнемера основано на законе
Архимеда.
Чувствительный
элемент
буйкового
уровнемера - буй - массивное тело, подвешенное
вертикально внутри сосуда, уровень жидкости в котором
контролируется. По мере изменения уровня жидкости
Рисунок 2.20
изменяется погружение буя вследствии компенсации
выталкивающей силы жидкости изменением усилия в подвеске. Осадка буя
переменная.
Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости
в сосуде. Характеристика буйкового уровнемера линейная, а
чувствительность тем больше, чем больше площадь поперечного сечения
буя.
Р
1
3
2
Рисунок 2.21
3.1.10.4
Гидростатические
уровнемеры
В этих приборах измерение уровня
жидкости постоянной плотности сводится
к измерению давления, созданного
столбом жидкости Р = ж g h.
Различают
пьезометрические
с непосредственным измерением столба
уровнемеры и уровнемеры
жидкости.
Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня
самых разнообразных, в том числе вязких и агрессивных жидкостей.
Воздух из пьезометрической трубки 1 барботирует через слой
жидкости. Количество воздуха, подаваемого под давлением, ограничивается
дросселем 3 таким образом, чтобы скорость движения его в трубопроводе
была минимально возможной. Уровень жидкости определяется по разности
давления в дифманометре 2.
33
3.1.10.5 Электрические методы измерения уровня
Для измерения уровня жидкости может
быть использовано различие электрических свойств
жидкости и парогазовой смеси под ней. Под
электрическими
свойствами
понимаются
диэлектрическая
проницаемость
и
электропроводность веществ.
Кондуктометрический метод измерения
Рисунок 2.22
уровня основан на измерении электрической
проводимости
первичного
преобразователя,
зависящей от значения уровня.
Емкостной метод измерения основан на изменении емкости
первичного преобразователя в зависимости от положения уровня измеряемой
среды. Обычно первичный преобразователь выполняется в виде
коаксиальных цилиндрических обкладок, погруженных в измеряемую
жидкость. С изменением уровня жидкость заполняет пространство между
обкладками и тем самым изменяет их электрическую емкость. Зависимость
между уровнем жидкости и емкостью пропорциональная.
3.1.10.6 Радиоволновые уровнемеры
Предназначены для бесконтактного
измерения
и
сигнализации
уровня
жидкости и сыпучих материалов путем
облучения
контролируемой
среды
радиоволнами.
L
В результате обработки параметров
отраженной
радиоволны
выделяется
сигнал, пропорциональный расстоянию от
датчика до поверхности L.
Рисунок 2.23
Достоинства
уровнемеров:
надежность, температурная стабильность,
отсутствие
контакта
с измеряемым
продуктом, компактность и т.д.
34
3.2 Исполнительные устройства
3.2.1 Классификация исполнительных устройств
Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в системе
управления, непосредственно реализующее управляющее воздействие со
стороны регулятора на объект управления путем механического
перемещения регулирующего органа (РО) объекта.
Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке,
нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ
(например, сырья, топлива, кубового остатка колонны и т.д.).
Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть
описано как
F = F(ΔP, ν, ρ, C1, C2, …),
где ΔP – перепад давления на РО, ν - вязкость, ρ – плотность, Сi –
некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения
потока и т.д. Отсюда видно, что расход F может быть изменен путем:
- изменения ΔP (насосные ИУ),
- ν или ρ (реологические ИУ),
- коэффициентами Ci (дроссельные ИУ).
3.2.2 Исполнительные устройства насосного типа
Структура ИУ насосного типа представлена на рисунке 2.24, где
обозначено: u – управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ –
исполнительный механизм (привод), РО – регулирующий орган (насос), Хр –
параметр, изменяющий производительность насоса (частота вращения вала,
ход поршня и т.д.).
u
Для данных ИУ, как правило, давление
ИМ
на выходе Рвых больше, чем давление на входе
Рвх, а перепад давления на РО определяется
Хр
как ΔР = Рвых – Рвх.
Рвх
Рвых
Насосные ИУ делятся на три класса:
РО
1)
С вращательным движением
РО:
Рисунок 2.24
а)
шестеренчатые
–
зубья
шестеренок создают со стенками
корпуса
множество
объемов,
посредством которых жидкость из
всасывающей линии подается в
нагнетательную (см. рисунок 2.25);
обратный ток жидкости существенно
F
меньше, так как при зацеплении
Рисунок 2.25 - Шестеренчатый
насос
35
шестеренок между собой остаточные
объемы невелики;
б) шиберные – при вращении
шиберы
(см.
рисунок
2.26)
шиберы
центробежными силами прижимаются
к корпусу и образуют с ним
F
переменные
объемы:
на
всасывающейся
линии
увеличивающиеся, на нагнетательной –
уменьшающиеся;
в)
винтовые
–
перекачка
производится винтовым шнеком;
Рисунок 2.26 - Шиберный насос
г) центробежные – изменение
расхода
происходит за счет изменения входной скорости в полости ротора
насоса.
2) С поступательным движением РО:
а) поршневые;
б) мембранные;
в) сильфонные.
3.2.3 Исполнительные устройства реологического типа
Некоторые
жидкости
и
дисперсионные системы могут изменять
u
вязкость под действием электрического поля
преобразователь
(например, вазелиновое, трансформаторное,
касторовое масла, олефины, алюмосиликаты
ν
и др.), т.е. F = F(ν).
Рвх
Рвых
РО
Преобразователь в ИУ данного типа
осуществляет изменение электромагнитного
Рисунок 2.27
поля в РО в зависимости от u, которое в свою
очередь влияет на ν. При этом расход F на РО
изменяется пропорционально.
Структура ИУ реологического типа
изображена на рисунке 2.27.
36
3.2.4 Исполнительные устройства дроссельного типа
Эти ИУ нашли преимущественное распространение в силу
универсальности и простоты. В зависимости от u ИМ изменяет какой-либо
параметр дросселя РО, что приводит к
u
ИМ
изменению расхода F.
Пропускной характеристикой дросселя
Сi
называется зависимость расхода F от перепада
давления ΔР = Рвх – Рвых, положения РО и т.д.
Рвх
Рвых
РО
Зависимость F(ΔР) для турбулентного
потока:
Рисунок 2.28
F = γ P ,
2
где   S
, S – площадь сечения

потока, ξ –
коэффициент местного
сопротивления, ρ – плотность.
Виды ИУ дроссельного типа:
1)
Плунжерные
–
расход
регулируется путем изменения площади
проходного сечения, образованного парой
«седло-затвор» (см. рисунок 2.29). Форма
затвора подбирается таким образом,
чтобы пропускная характеристика F =
F(h) была линейна (h – положение штока).
2)
Шланговые
–
расход
регулируется сжиманием гибкого шланга
(тип ПШУ-1).
3) Диафрагмовые – используют
Рисунок 2.29
гибкие мембраны.
4) Заслоночные – используют заслонки в виде дисков, вращающихся в
сечении трубопровода.
5) Краны – используют затворы, выполненные в виде цилиндра,
усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход
регулируется поворотом затвора на определенный угол.
6) Задвижки – расход регулируется плоской задвижкой,
перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода.
37
3.2.5 Исполнительные механизмы
Стандартные исполнительные механизмы (ИМ) работают в
комплекте с РО, образуя вместе ИУ, и классифицируются:
- по виду энергии, создающей перестановочное усилие
(электрические, пневматические, гидравлические и др.);
- по виду движения (прямоходовые, однооборотные и
многооборотные);
- по принципу создания перестановочного усилия (мембранные,
поршневые,
сильфонные,
лопастные,
электромагнитные,
электродвигательные и др.).
Пневматические ИМ нашли широкое распространение благодаря
простоте
конструкции,
низкой
стоимости,
Рu
надежности, способности работать в пожаро- и
взрывоопасных
условиях.
Недостатки:
ограниченность расстояния от регулятора до
места установки ИУ (обычно до 200 м), низкое
быстродействие, низкий класс точности.
Входным сигналом этих ИМ является
давление сжатого воздуха Рu (см. рисунок 2.30),
Рисунок 2.30
которое, воздействуя на мембрану, создает усилие
F = Sэф (Рu – Ро),
где Pu – управляющее давление,
Ро – начальное давление, при котором создается движение плунжера,
Sэф – эффективная площадь мембраны.
Электрические ИМ имеют преимущества: высокое быстродействие,
компактность, доступность источника энергии, большие перестановочные
усилия. Недостатки: дороговизна, необходимость мер защиты во взрыво- и
пожароопасных условиях.
Подразделяются на электродвигательные (привод от двигателя) и
электромагнитные.
Промышленность выпускает практически только электродвигательные
ИМ с напряжением 220 В или 380 В:
- многооборотные (МЭМ),
- однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360º,
- прямоходовые (МЭП).
Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический
ИМ, момент 6,3 Н.м, время хода 10 с, номинальный ход 0,25 оборота).
38
3.1.1. Типовые законы регулирования
Для регулирования объектами управления, как правило, используют
типовые регуляторы, которые можно разделить на аналоговые и дискретные.
К дискретным регуляторам относятся импульсные, релейные и цифровые.
Аналоговые реализуют типовые законы регулирования, названия которых
соответствуют названиям типовых звеньев.
Входным сигналом для аналоговых регуляторов является величина
ошибки регулирования, которая определяется как разность между заданным
и текущим значениями регулируемого параметра (e = х – у). Выходным
сигналом является величина управляющего воздействия u, подаваемая на
объект управления. Преобразование входного сигнала в выходной
производится согласно типовым законам регулирования, рассматриваемым
ниже.
1) П-закон (пропорциональное регулирование). Согласно закон
пропорционального регулирования управляющее воздействие должно быть
пропорционально величине ошибки. Например, если регулируемый параметр
начинает отклоняться от заданного значения, то воздействие на объект
следует увеличивать в соответствующую сторону. Коэффициент
пропорциональности часто обозначают как K1:
u = K1.e.
Тогда передаточная функция П-регулятора имеет вид
WП(s) = K1.
Если величина ошибки стала равна, например, единице, то
управляющее воздействие станет равным K1 (см. рисунок 1.52).
u(t)
е(t)
K1
1
t
t
Рисунок 1.52
Примером системы с П-регулятором может служить система
автоматического наполнения емкости (сливной бачок). На рисунке 1.53
обозначены:
L и Lзад – текущий уровень в емкости (регулируемая величина) и его
заданная величина,
Fпр и Fсток – расходы жидкости притекающей и стекающей из емкости.
Управляющим воздействием является Fпр. Fсток – возмущение.
39
Принцип
действия
понятен
из
рисунка: при опустошении емкости
поплавок
поплавок через кронштейн открывает
Fпр
задвижку подачи жидкости. Причем, чем
больше разница уровней е = Lзад – L, тем
Lзад
ниже поплавок, тем больше открыта
L
задвижка и, соответственно, больше поток
жидкости Fпр. По мере наполнения емкости
Fсток
ошибка
уменьшается
до
нуля
и,
Рисунок 1.53
соответственно, уменьшается Fпр до
полного прекращения подачи. То есть Fпр = K1.( Lзад – L).
Достоинство данного принципа регулирования в быстродействии.
Недостаток – в наличии статической ошибки в системе. Например, если
жидкость вытекает из емкости постоянно, то уровень всегда будет меньше
заданного.
2) И-закон (интегральное регулирование). Управляющее воздействие
пропорционально интегралу от ошибки. То есть чем дольше существует
отклонение регулируемого параметра от заданного значения, тем больше
управляющее воздействие:
u  K 0  e( t )dt .
Передаточная функция И-регулятора:
кронштейн
задвижка
WИ(s) =
K0
.
s
При возникновении ошибки управляющее воздействие начинает
увеличиваться со скоростью, пропорциональной величине ошибки.
Например, при е = 1 скорость будет равна K0 (см. рисунок 1.54).
u(t)
е(t)
1
 = arctg K0
t
t
Рисунок 1.54
Достоинство данного принципа регулирования в отсутствии
статической ошибки, т.е. при возникновении ошибки регулятор будет
увеличивать управляющее воздействие, пока не добьется заданного значения
регулируемой величины. Недостаток – в низком быстродействии.
40
3) Д-закон (дифференциальное регулирование). Регулирование ведется
по величине скорости изменения регулируемой величины:
de( t )
u  K2
.
dt
То есть при быстром отклонении регулирующей величины
управляющее воздействие по модулю будет больше. При медленном –
меньше. Передаточная функция Д-регулятора:
WД(s) = K2 s.
Регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении
регулируемой величины. Например, если ошибка имеет вид ступенчатого
сигнала е = 1, то на выходе такого регулятора будет наблюдаться один
импульс (-функция). В этом заключается его недостаток, который
обусловил отсутствие практического использования такого регулятора в
чистом виде.
На практике типовые П-, И- и Д-законы регулирования редко
используются в чистом виде. Чаще они комбинируются и реализуются в виде
ПИ-регуляторов, ПД-регуляторов, ПИД-регуляторов и др.
ПИ-регулятор
(пропорционально-интегральный
регулятор)
представляет собой два параллельно работающих регулятора: П- и Ирегуляторы (см. рисунок 1.55). Данное соединение сочетает в себе
достоинства обоих регуляторов: быстродействие и отсутствие статической
ошибки.
ПИ-закон регулирования описывается уравнением
u  K 0  e( t )dt  K1  e( t )
П
е
u
и передаточной функцией
И
K
Рисунок
WПИ
(s) = K11.55
+ 0.
s
То есть регулятор имеет два независимых параметра (настройки): K0 –
коэффициент интегральной части и K1 – коэффициент пропорциональной.
При возникновении ошибки е = 1 управляющее воздействие изменяется
как показано на рисунке 1.56.
u(t)
е(t)
K1
1
t
 = arctg K0
t
Рисунок 1.56
41
ПД-регулятор
(пропорционально-дифференциальный
регулятор)
включает в себя П- и Д-регуляторы (см. рисунок 1.57). Данный закон
регулирования описывается уравнением
de( t )
e( t )  K 2 u
еu  K1  П
dt
Д
и передаточной функцией:
WПДРисунок
(s) = K1 1.57
+ K2 s.
Данный регулятор обладает самым большим быстродействием, но
также и статической ошибкой. Реакция регулятора на единичное ступенчатое
изменение ошибки показана на рисунке 1.58.
u(t)
е(t)
1
импульс
K1
t
t
Рисунок 1.58
ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный
регулятор) можно представить как соединение трех параллельно работающих
регуляторов (см. рисунок 1.59). Закон ПИД-регулирования описывается
уравнением:
П
de( t )
u  K 0  e( t )dt K1  e( t )  K 2
е
u
И
dt
и передаточной функцией
Д
Рисунок 1.59 WПИД(s) = K1 + K 0 + K2 s.
s
ПИД-регулятор в отличие от других имеет три настройки: K0, K1 и K2.
ПИД-регулятор используется достаточно часто, поскольку он сочетает
в себе достоинства всех трех типовых регуляторов. Реакция регулятора на
единичное ступенчатое изменение ошибки показана на рисунке 1.60.
u(t)
е(t)
K1
1
t
импульс
 = arctg K0
t
Рисунок 1.60
42
3.1.2 Определение оптимальных настроек регуляторов
Регулятор, включенный в АСР, может иметь несколько настроек,
каждая из которых может изменяться в достаточно широких пределах. При
этом при определенных значениях настроек система будет управлять
объектом в соответствии с технологическими требованиями, при других
может привести к неустойчивому состоянию.
Поэтому
стоит
задача,
во-первых,
определить
настройки,
соответствующие устойчивой системе, и, во-вторых, выбрать из них
оптимальные.
Оптимальными настройками регулятора называются настройки,
которые соответствуют минимуму (или максимуму) какого-либо показателя
качества.
Требования
к
показателям
качества
устанавливаются
непосредственно, исходя из технологических. Чаще всего накладываются
требования на время регулирования (минимум) и степень затухания
(  зад).
Однако, изменяя настройки таким образом, чтобы увеличить степень
затухания, мы можем прийти к слишком большому времени регулирования,
что нецелесообразно. И наоборот, стремясь уменьшить время регулирования,
мы получаем более колебательные процессы с большим значением .
Зависимость  от tp в общем случае имеет вид, изображенный на
графике (см. рисунок 1.61).
Поэтому для определения оптимальных
настроек разработан ряд математических методов,
среди которых можно выделить:
tp
- метод сканирования плоскости настроек,
- формульный метод,
Рисунок 1.61
- метод D-разбиения.
Метод сканирования заключается в разбиении области допустимых
настроек выбранного регулятора с равным шагом и определении показателей
качества для каждого набора настроек в узлах получившейся сетки. После
просмотра всех узлов выбираются наборы настроек, соответствующие
наилучшим показателям качества. Настройки могут быть уточнены далее
также путем сканирования окрестности выбранного узла с более мелким
шагом.
Формульный метод определения настроек регуляторов используется
для быстрой и приближенной оценки значений настроек регуляторов.
Если объект управления представляет собой инерционное звено с
запаздыванием, т.е. описывается передаточной функцией
K  s
W(s) 
e ,
Ts  1
43
где K – коэффициент усиления, Т - постоянная времени,  запаздывание (см. п. 2.6.5), то настройки П-, И-, ПИ- и ПИД-регуляторов
могут быть определены по приведенным в таблице 1.5 формулам в
зависимости от того, какой вид переходного процесса требуется получить. Во
второй колонке таблицы приведены формулы для апериодического процесса
без перерегулирования, в третьей – с перерегулированием 20 %, в четвертой
– для процесса с максимальным быстродействием (процесс может быть
сильно колебательным).
Метод D-разбиения заключается в определении области настроек в
пространстве допустимых значений настроек выбранного регулятора,
соответствующих области устойчивости или заданному показателю качества.
Кривая D-разбиения представляет собой границу устойчивости в
пространстве настроек и поэтому строится с использованием какого-либо
критерия устойчивости.
Построение кривой D-разбиения по методу Гурвица сводится к
решению системы неравенств вида i  0, определяющих условие
устойчивости.
Микропроцессорные системы управления.
Современные информационные технологии и технологии управления
ставят в качестве основных две задачи:
1) повышение эффективности производства за счет улучшения
процесса сбора, обработки информации и ее использования для целей
управления;
2) обеспечение простоты решения предыдущей задачи, т.е.
реализация дружественного человеко-машинного интерфейса (MMI).
4.1 Структура современной АСУТП
АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими
процессами, имеющая 2 или 3 уровня и выполняющая следующие функции:
- сбор информации;
- поддержание технологических параметров на заданных значениях;
- контроль за технологическими параметрами, для которых не
выполняются функции регулирования;
- сигнализация;
- блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных
действий технологического персонала;
- противоаварийная защита (ПАЗ) при возникновении аварийных
ситуаций.
Упрощенно структуру АСУТП можно представить в следующем виде
(см. рисунок 3.1).
44
Уровень III
(уровень предприятия)
Планирование и управление
предприятием
Производственный план,
экономические требования
Уровень II
Информация о состоянии
процессов, ПК и ПЭ
Оптимизаторы
по ПК и ПЭ
Настройки, уставки,
Параметры процесса
изменение структур подсистем
Уровень I
Локальные подсистемы
(нижний уровень АСУ ТП)
регулирования
Измеряемые параметры процесса
Управляющие воздействия
Технологический процесс
Рисунок 3.1 - Структура информационных потоков АСУ ТП
Первый (нижний) уровень АСУТП является уровнем датчиков,
исполнительных механизмов и контроллеров, которые устанавливаются
непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается
в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий
вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции
датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении
соответствующих действий (функции исполнительных механизмов).
Задачами уровня являются:
- сбор информации об измеряемых технологических параметрах
процесса;
- выработка управляющих воздействий на технологический процесс с
целью поддержания технологических параметров на заданных значениях
или изменения их по определенным законам;
- сигнализация о выходе их за заданные пределы;
- блокировка ошибочных действий персонала
и управляющих
устройств;
- противоаварийная защита (ПАЗ) процесса по факту аварийных
событий.
Подсистемы этого уровня поддерживают параметры технологического
процесса на заданных значениях и могут быть реализованы с использованием
«традиционных» методов регулирования динамическими объектами.
45
Второй (средний) уровень - уровень производственного участка
(цеха). Его функции:
- сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и
хранение;
- выработка управляющих сигналов на основе анализа информации;
- передача информации о производственном участке на более высокий
уровень;
- вычисление неизмеряемых параметров, в частности, показателей
качества (ПК) продуктов, технико-экономических показателей;
- сведение материальных балансов;
- архивирование информации;
- генерация отчетов;
- диагностика и защита от сбоев в элементах подсистем нижнего
уровня;
- определение настроек управляющих устройств (УУ) и уставок
локальных регуляторов подсистем I уровня;
- изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование,
включение/выключение, переход в ручное управление и т.д.).
На данном уровне производится оптимизация технологических
процессов по технологическим показателям.
Третий (верхний) уровень в системе автоматизации занимает т.н.
уровень управления и относится к системе управления предприятием
(АСУП). На этом уровне осуществляется контроль за производством
продукции и оптимизация по технико-экономическим и экономическим
показателям. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с
производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу
руководящих директив нижним ступеням. Задачи управления данного
уровня:
- оптимизация экономических показателей производства;
- управление по экономическим и технико-экономическим показателям;
- сведение материальных балансов;
- архивирование информации;
- составление производственных планов и т.д.
46
Следует отметить, что некоторые задачи второго и третьего уровней
перекрываются и в ряде случаев эти два уровня объединяются в один.
Internet
Рабочая
станция
Рабочая
станция
Сервер
Уровень III
модем
Файлсервер (БД)
Сервер
Сеть предприятия
модем
HUB
Радио или
телефонная связь
Уровень II
модем
Среда
разработки
SCADA
SCADA
SCADA
SCADA
PC
HUB
Сеть
производственного
участка
Контроллер
Уровень I
Контроллер
Монтажные платы (кросс-платы)
Модули
УСО ввода
Электрич.
датчики
ПЭП
Модули УСО
ввода с т/п
Теромопары
Модули
дискр. ввода
Сигнализаторы
Пневматич.
датчики
Модули УСО
аналог. ввода
Клапаны,
задвижки
Эл.двигатели,
насосы
ПЭП – пневмоэлектропреобразователь
УСО – устройство связи с объектом
Рисунок 3.2 – Развернутая структура современной АСУТП
47
Атрибутом этого уровня является центр управления производством,
который может состоять из трех взаимопроникающих частей:
1) операторской части,
2) системы подготовки отчетов,
3) системы анализа тенденций.
Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом
на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в
случае необходимости вмешательство в ход автоматического управления.
Обеспечивает диалог между системой и операторами.
Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и
т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного
времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом
балансе и др.
Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдать за
технологическим параметрами и делать соответствующие выводы.
На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры,
выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и
обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой
заданный интервал времени. а также визуализацию информации и
взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего
уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition системы управления и доступа к данным).
Структура современной АСУТП в развернутом виде представлена в
виде (см. рисунок 3.2).
4.2 Аппаратная реализация систем управления
4.2.1 Средства измерения технологических параметров
Во всем сообществе электронных средств промышленной
автоматизации в последнее время появилась ниша приборов с цифровым
способом передачи данных, то есть на смену господствовавшему в течение
почти 25 лет стандарту 0...20 мА (4...20 мА и др.) приходит двоичный способ
представления информации в системах управления и регулирования.
Преимущества данного способа: повышенная точность передачи
данных, возможность обнаружения и устранения ошибок при передаче,
возможность использования одной линии связи для работы нескольких
устройств, а также использование одной линии для передачи как аналоговых,
так и цифровых сигналов (например, HART-протокол) и т.д.
С развитием технических средств автоматизации менялись методы
измерения и идеология построения самих систем измерения и управления.
48
Далее рассматривается аппаратная реализация первого (нижнего)
уровня современной АСУТП, объединяющего информационные системы
сбора и первичной обработки информации.
В настоящее время применяют т.н. «интеллектуальные датчики». Этот
термин означает, что устройство имеет встроенный микропроцессор,
который позволяет осуществлять определенные функции. Интеллектуальный
датчик может давать более точные показания благодаря применению
числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного
элемента или температурной зависимости. Так, основная погрешность
приборов серии «Метран-45» составляет 0,25 % от шкалы, а основная
погрешность интеллектуального датчика серии 3051 Coplanur (фирма FisherRosemount Inc.) - 0,075 %. В круг возможностей некоторых приборов входит
измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение
(например, объемный расход , температуру и давление в массовый расход,
т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики,
автоматическая калибровка.
Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов
Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи и
аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих
видов сигналов аналоговый используется для трансляции значения
измеренного параметра, а цифровой - для функций настройки, калибровки, а
также позволяет считывать измеряемый параметр. Эти устройства
обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют
совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для
существующих систем.
Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает
точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналогоцифрового преобразований сигнала 4...20 мА. Но цифровой способ
измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на
последовательную передачу информационной посылки), которая может быть
неприемлема для управления быстродействующими контурами.
Цифровой датчик позволяет хранить дополнительную информацию о
процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы
измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по
запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по
физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов.
При выборе технических средств нужно руководствоваться, прежде
всего, спецификой процесса. Если нет необходимости использования
сложных алгоритмов управления, не требуется высокой точности, если
объект не является рассредоточенным и не требует большого числа
приборов, то здесь можно эффективно использовать пневматические
49
средства. Данные устройства имеют некоторые преимущества перед
электрическими: они пригодны для эксплуатации во взрыво- и
пожароопасных зонах, вся автоматика защиты (отсечные клапаны)
смонтированы на пневмосредствах, просты в эксплуатации, не требуют
особой подготовки персонала, кроме того, требуют меньших материальных
затрат на приобретение.
Для объектов с сосредоточенными параметрами (например, установка
на НПЗ) более подойдут аналоговые средства, которые обладают рядом
преимуществ. В частности, использование стандартных уровней сигналов не
ставит проблемы сопряжения устройств, скорость передачи подходит для
использования в системах реального времени, высокая точность (до 0,05 %) и
возможность применения нестандартной аппаратуры. Но потребность в
большом количестве недешевых соединительных проводов, ограничения на
дальность передачи и подверженность влиянию помех вносят неудобства при
применении.
Класс цифровых устройств, кроме перечисленных выше задач,
позволяет решать задачи управления сильно распределенных объектов
(например, НГДУ) и благодаря применению пары проводов для подключения
нескольких приборов значительно уменьшает затраты на монтаж системы.
Особенности применения цифровой передачи, из-за отсутствия единого
стандарта, связаны с использованием различных протоколов связи.
4.2.2 Устройства связи с объектом
Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном
промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид.
Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые
величины только в аналоговый вид, а также много исполнительных
механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой
стороны, новейшие средства автоматизации, которые находят все большее
применение в системах управления, используют цифровое представление
обрабатываемых величин. Для того, чтобы связать между собой параметры,
представленные в аналоговом/дискретном и цифровом виде, используются
устройства связи с объектами (УСО). Таким образом, УСО являются
неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе
использующей цифровые устройства (промышленные компьютеры,
вычислительные сети и т.д.). Для представления места УСО в процессе
автоматизации производства подобные системы можно теоретически
изобразить в виде схемы (см. рисунок 3.3).
50
Цифровой
интерфейс
Датчики
Исполнительные
механизмы
Объект
УСО
Аналоговый,
дискретный
или цифровой
сигнал
Цифровой
интерфейс
Промышленный
компьютер
Вычислительная
сеть предприятия
АРМ оператора
Рисунок 3.3
Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного
преобразования параметров в выходной сигнал для передачи в УСО.
Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие
через УСО, для воздействия на процесс. Связь между датчиками,
исполнительными механизмами и УСО может быть аналоговой, дискретной
или цифровой.
Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управляющего
элемента, принимающего
цифровую
информацию
от
УСО и
вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и УСО
используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых
относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др.
Данная схема является условной, поскольку в реальных системах
модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а
входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. Примером
служат датчики, которые осуществляют двойное (тройное и т.д.)
преобразование измеряемой величины и выдающие на вход готовый
цифровой сигнал. В этом случае граница между собственно первичным
преобразователем и УСО проходит где-то внутри него. С другой стороны,
УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-платы, вставляемой в ISAслот компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены
прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой код.
В дальнейшем в качестве УСО будем рассматривать модули, платы и
другие устройства, предназначенные для приема аналоговых и дискретных
сигналов от объекта (независимо от того, сколько раз они были
преобразованы внутри него), преобразования его в цифровой вид для
передачи в компьютер (контроллер), а также для приема цифровых
управляющих данных от РС и преобразования их в вид, соответствующий
исполнительным механизмам объекта.
51
Модули УСО - это конструктивно законченные устройства,
выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в
специализированные платы, имеющие клеммные соединители для подвода
внешних цепей (такие платы называют монтажными панелями), либо на
стандартный несущий DIN-рельс. Модули УСО заключены в пластмассовый
корпус и оснащены соответственно либо выводами для крепления на
монтажных панелях, либо клеммными соединителями с винтовой фиксацией
для крепления входных и выходных цепей.
На УСО возлагают следующие функции:
1) Нормализация аналогового сигнала - приведение границ шкалы
первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов
входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного
канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от -5
до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от
1 до 5 мА.
2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью
снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения.
На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой
сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные
влиянием на технические средства измерительного канала переходных
процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов
повышенной мощности.
3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала
и каналами системы.
Помимо этих функций, ряд устройств связи с объектом может
выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе подсистемы
аналого-цифрового
преобразования
и
дискретного
ввода-вывода,
микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов
последовательной передачи данных.
Простейшим устройством гальванической развязки является
электромагнитное реле. Реле, как правило, инерционны, имеют относительно
большие габариты и обеспечивают ограниченное число переключений при
достаточно большом потреблении энергии. Развитие электроники привело к
распространению компонентов, обеспечивающих оптическую развязку
между цепями. УСО, построенные с использованием такой развязки,
являются недорогими, высоконадежными и быстродействующими. Кроме
того, они характеризуются высоким напряжением изоляции и низкой
потребляемой мощностью.
По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на
аналоговые дискретные и цифровые.
52
Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хорошей
линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение изоляции.
Кроме того, желательными являются работа с различными источниками
входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от терморезисторов, термопар
и т.д.), возможности быстрой замены и низкая стоимость.
Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом,
концевых выключателей, контроль наличия в цепи напряжения, тока и т.д., а
выходные УСО формируют сигналы для управления пускателями,
двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО должны
удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые. Кроме того, они
должны обладать минимальным временем переключения, а выходные обеспечивать коммутацию как можно более высоких напряжений и токов и
вносить при этом минимум искажений, обусловленных переходными
процессами, в коммутируемую цепь.
Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие
только с цифровой формой информации. К ним относятся
коммуникационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого
взаимодействия. Например, повторители, служащие для увеличения
протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485.
По направлению прохождения данных через УСО их можно
разделить на 3 типа:
1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчиков в
устройство обработки и вывода сигналов для управления;
2) устройства вывода, предназначенные для формирования сигналов
для исполнительных механизмов;
3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сигналов.
Если рассматривать УСО с точки зрения назначения и конструктивного
исполнения, то здесь можно выделить следующую классификационную
структуру:
1 Устройства преобразования типа «а/д сигнал  ЦИ», т.е.
преобразующие аналоговые и дискретные сигналы в цифровой вид для
передачи по цифровому интерфейсу (ЦИ) и наоборот. Внутри этого типа
можно выделить классы:
1.1
Модули
аналогового/дискретного
ввода/вывода,
выполненные в одном конструктиве (см. рисунок 3.4,а). Пример:
серия ADAM-4000 фирмы Advantech.
1.2 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  ЦИ» (м.п. монтажная плата) (см. рисунок 3.4,б). Пример: модули фирм Grayhill,
Analog Devices.
53
1.3 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  контроллер 
ЦИ» (см. рисунок 3.4,в). Пример: контроллеры Grayhill.
Объект
цифровой
интерфейс
Модуль
а)
Модуль
Объект
Модуль
м.п.
цифровой
интерфейс
Модуль
б)
Объект
Модуль
Модуль
м.п.
Контроллер
Модуль
цифровой
интерфейс
в)
Рисунок 3.4
2 Вспомогательные устройства:
2.1 Устройства типа «ЦИ  ЦИ», служащие для
преобразования интерфейсов либо для организации новых сегментов
измерительной сети (коммуникационные модули) (см. рис. 3.4, г).
Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech.
2.2 Модули нормализации и гальванической развязки («а/д 
модуль  а/д»). Пример: серия ADAM-3000 фирмы Advantech.
3 Платы для ввода/вывода данных в PC:
3.1 Формирователь интерфейсов («ЦИ  плата  РС»).
3.2 Платы АЦП/ЦАП («а/д  плата  РС»).
Некоторые УСО используют монтажные платы для установки модулей
ввода/вывода. На некоторых из этих плат установлены АЦП/ЦАПпреобразователи и формирователи ЦИ.
Устройства первого вида являются основными УСО, используемыми в
автоматизации и поэтому широко представленными производителями. Эти
54
устройства предназначены для реализации взаимодействия между
вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных
параметров, а также для выдачи управляющих воздействий на
исполнительные механизмы.
Модули обеспечивают выполнение следующих функций:
 прием и дешифрацию команд по цифровому каналу;
 ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток и
напряжение);
 опрос состояния дискретных входов;
 фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов;
 вывод аналоговых (ток и напряжение) и дискретных
сигналов;
 аналого-цифровое (для модулей аналогового ввода)
преобразование;
 цифро-аналоговое (для модулей аналогового вывода)
преобразование;
 преобразование шкалы значений непрерывных параметров в
предварительно заданные единицы измерения;
 формирование и передачу в адрес основной вычислительной
системы информации, содержащей результат измерения или
состояние дискретных входов, после получения соответствующего
запросу по цифровому каналу.
Настройка и калибровка многих модулей осуществляется
программным способом путем передачи в их адрес соответствующих команд
по информационной сети.
Примером таких модулей, выполненных в виде единого отдельного
устройства, являются модули серии ADAM-4000, производимые фирмой
Advantech.
Модули позволяют создавать на технологическом участке
измерительную сеть, основанную на интерфейсе RS-485 и состоящую из
нескольких сегментов.
Взаимодействие
между основной
вычислительной
системой
(контроллером сети, КС) и модулями, объединенными в сеть, осуществляется
путем передачи в адрес каждого модуля запроса, содержащего префикс типа
команды, символьное представление сетевого адреса запрашиваемого
модуля, число, соответствующее подтипу команды, и символ возврата
каретки. Для программного обеспечения КС выдача запроса означает выдачу
строки символов в последовательный порт. При получения команды
встроенное программное обеспечение модуля производит проверку его
55
корректности и идентификацию, после чего посылает в адрес КС
запрашиваемую информацию в виде строки символов.
Представителем 2-го класса этого типа УСО, т.е. УСО,
представляющих собой набор модулей, устанавливаемых на монтажную
плату, являются модули и платы фирм Analog Devices (серии 5В, 6В, 7В),
Grayhill (серии 70G, 70, 70M, 73G), Opto22 и др. Особенностью этих модулей
аналогового/дискретного ввода является то, что они сами по себе не
обеспечивают цифрового интерфейса. Выходы этих модулей, как правило,
частотные. При этом частота выходного сигнала линейно зависит от
значения входного сигнала и меняется в определенном диапазоне (14,4
кГц...72 кГц). Таким образом, чтобы получить цифровое значение входного
сигнала, нужно измерить частоту с выхода модуля либо через дискретный
порт ввода/вывода либо программным способом, либо используя
специализированные монтажные платы, преобразующие частоту в код.
Стоимость такой платы ниже, чем для традиционной платы АЦП, поскольку
она работает с частотным, т.е. дискретным сигналом, а значит, не содержит
дорогих аналоговых цепей.
Дополнительным достоинством устройств развязки данного класса
является возможность установки на монтажную панель как аналоговых, так и
дискретных модулей ввода/вывода, так как они совместимы по выводам.
Входным сигналом для модулей вывода является управляющее слово в
двоичном последовательном коде, которое проходит через опторазвязку и
далее через буфер подается на ЦАП. Функцию посылки этого слова
принимает на себя монтажная плата.
К 3-му классу рассматриваемого типа УСО можно отнести
микроконтроллеры фирмы Grayhill (OptoMux-MicroDAC, ProMux, MicroDAC
LT, MicroLon, DeviceNet-DACNet и система OpenLine). Данные
микроконтроллеры используют те же модули аналогового/дискретного
ввода/вывода и монтажные платы, что и описанные выше. Отличительной
чертой микроконтроллеров является то, что их семейства могут быть
объединены в сеть и обеспечивать гибкие и недорогие решения при
применении РС для управления и сбора данных. Кроме того,
непосредственное расположение микроконтроллеров рядом с датчиками и
исполнительными механизмами сокращает длину линий и увеличивает
помехоустойчивость сети.
Они подключаются по интерфейсу RS-422/485 к сетевому серверу, в
качестве которого используется промышленный РС или обычный офисный.
Коммуникационные
модули
предназначены
для
создания
информационно-измерительных сетей, для увеличения протяженности линии
связи или организации очередного сегмента сети (повторители).
56
Кроме того, к этому типу можно отнести преобразователи интерфейсов
RS-232/RS-485 и др. Они необходимы для обеспечения связи, например,
между измерительной сетью предприятия, построенной на RS-485, и
интеллектуальными датчиками, которые, как правило, используют интерфейс
RS-232, или радиомодемами.
Примером подобных систем являются коммуникационные модули серии
ADAM-4000 фирмы Advantech:
ADAM-4510 - повторитель RS-485/RS-485,
ADAM-4520 - преобразователь RS-232/RS-422/RS-485,
ADAM-4521 - преобразователь RS-232//RS-485,
ADAM-4550 - радиомодем с преобразованием RS-485/RS-232.
Платы для ввода/вывода данных в РС работают с информацией,
которая приходит либо через интерфейсы RS и др. (в случае с платами
формирования интерфейсов), либо вводится в РС непосредственно в
аналоговом/дискретном виде через платы АЦП. Данные платы
устанавливаются непосредственно в слоты ISA (реже IPC) промышленного
или обычного офисного РС.
Платы АЦП/ЦАП используются непосредственно для ввода
измеряемой величины в компьютер и/или для вывода управляющих
сигналов. Данные платы, как правило, имеют дополнительно несколько
каналов цифрового ввода/вывода.
При выборе модулей УСО желательна ориентация на тот интерфейс, на
основе которого построена измерительная сеть предприятия, так как в
противном случае могут потребоваться модули преобразования интерфейсов.
На выбор используемого интерфейса влияет топология сети и протяженность
линий связи. Для разветвленных сетей и сетей с протяженными линиями (до
1200 м и более) наиболее подходящим является интерфейс RS-485.
Количество устройств, подсоединенных к такой сети, ограничено 255.
Выбор интерфейса RS-422 в большинстве случаев нецелесообразен, так
как он не имеет широкого распространения. Для небольших локальных сетей
с количеством устройств порядка нескольких единиц может быть
использован RS-232. Его преимуществом является то, что он встроен во все
промышленные и офисные РС и не требует дополнительных устройств.
Недостаток - малая протяженность линий связи.
Протяженные сигнальные линии от датчиков и исполнительных
устройств к центральному контроллеру часто приводят к проблемам,
связанными
с
недостаточной
помехоустойчивостью
и
поиском
неисправностей.
Модули ввода/вывода серии ADAM-4000 фирмы Advantech наиболее
целесообразно применять в распределенных системах сбора данных и
прикладной области, для которых характерна невысокая скорость измерения
57
параметров технологического процесса, подлежащих контролю. Функции
локального, независимого от контроллера сети, управления представлены
ограниченно и часто не удовлетворяют требованиям, выдвигаемым при
постановке задачи комплексной автоматизации предприятия.
4.2.3 Аппаратная и программная платформа контроллеров
Промышленные контроллеры и компьютеры, расположенные на
среднем уровне АСУТП, играют роль управляющих элементов,
принимающих цифровую информацию и передающих управляющие
сигналы.
До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном
исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые
логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства.
Наиболее популярны в нашей стране PLC таких зарубежных производителей,
как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели:
«Ломиконт», «Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др.
В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых
компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве
контроллеров.
Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их
открытостью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм.
Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю.
Второе важное преимущество их заключается в более «родственных»
связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются
дополнительные затраты на подготовку персонала.
Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают
физическую и программную надежность контроллеров. Под физической
надежностью
понимают
способность
аппаратуры
устойчиво
функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и
противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается
способность программного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в
ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность
определяется в первую очередь степенью отлаженности ПО. Поскольку в
большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко
распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows,
Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать, что программная надежность
будет выше, чем у PLC.
Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только
требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального
времени, были компактны и имели возможность запуска из ПЗУ или флешпамяти.
58
4.2.4 Промышленные сети
Для организации эффективного управления производственным
процессом все его этапы должны быть связаны информационными сетями.
Сети, обеспечивающие информационные потоки между датчиками,
контроллерами и разнообразными исполнительными механизмами,
объединяются общим названием «промышленные сети» (FieldBus, полевая
шина) [27, 44 - 53].
Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения
устройств (например, RS485) и, во-вторых, программно-логический протокол
их взаимодействия.
Сейчас на рынке присутствует около 50 Fieldbus-систем.
Системы, являющиеся продуктом только одного производителя,
работающие по уникальным протоколам, носят название «закрытых систем»
(closed / proprietary systems). Такие системы не обеспечивают совместимость
приборов от разных производителей.
Требованиям современной организации производства соответствуют
«открытые системы» (open systems), которые приведены в соответствие
специфичным требованиям всех производителей. Только на основе открытых
систем может быть решена задача интеграции изделий разных
производителей в одну сеть.
Если некоторая fieldbus-технология относится к открытым системам, то
она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств:
включаемостью (interconnectivity), то есть возможностью
свободного физического включения в общую сеть устройств от
различных производителей;
взаимодействием (interoperability), то есть возможностью
построения работоспособной сети на основе включения компонентов
от различных поставщиков;
взаимозаменяемостью (inter-changeability) - возможностью
замены компонентов аналогичными устройствами от других
производителей.
Fieldbus - это основополагающий термин, определяющий некоторую
цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее
централизованную аналоговую 4-20 мА-технологию. Такая сеть является
цифровой,
двунаправленной,
многоточечной,
последовательной
коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от
друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые
привода и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным
вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду
интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно
самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и
59
обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не
только со стороны инженерной станции, но и со стороны аналогичных ему
устройств.
Каждое устройство может выполнять функции управления,
обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о
возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это
существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты
по ее сопровождению.
В зависимости от области применения весь спектр промышленных
сетей можно разделить на два уровня:
1) Field Level - промышленные сети этого уровня решают задачи по
управлению производством, сбором и обработкой данных на уровне
промышленных контроллеров;
2) Sensor / actuator Level - задачи сетей этого уровня сводятся к опросу
датчиков и управлению работой исполнительных механизмов.
Исторически все промышленные сети являются продуктом эволюции
порта RS-232, который предназначался для подключения на двухпроводном
шнуре одного периферийного устройства к персональной ЭВМ. Его
применение ограничивалось дальностью передачи 15 м, которое удалось
снять
путем
применения
токовых
петель
и
низковольтных
дифференциальных протоколов RS-422. RS-422 обеспечил полнодуплексный
режим (попеременная передача данных в обоих направлениях). Однако связь
приемников (10 адресов) обеспечивалась одним передатчиком.
60
Таблица 3.1
интерфейсов
Характеристика
-
Характеристики
стандартных
физических
RSИРПС
RSRS232C
422
485
Вид передачи
синхр.
асинхр
синхр.
синхр.
/асинхр.
.
/асинхр.
/асинхр.
Среда передачи
витая
четыр
2 инф.
витая
пара
ех
линии,
1 пара/две
проводная линия
витые пары
связь
заземл.
Помехочувствительность
свойственная
уровень
двухпроводной
синфазных помех в
передаче
канале до 3 В
Способ кодирования
12 В
40 мА
12В
и
20 мА
Макс.
число
1/1
1/10
32/32
приемников / передатчиков
на линии
Макс. длина линии
15
500
1300
(без повторителей), м
Макс.
скорость
38,4
6,6
90
90...500
передачи, Кбод
Следующим шагом стало создание серийного протокола RS-485,
предполагающего многоточечное подключение (32 адреса). Работая с COMпортом и витой парой, можно выбирать любое из подключенных устройств.
Применяя репитеры, можно увеличить количество адресуемых устройств.
Скорость передачи по линии заметно падает на максимальных
расстояниях (1300 м - до 90 Кбод, 200 м - 500 Кбод). В настоящее время
RS-485 в чистом виде применяется для создания сетей сбора данных и
общения с устройствами, для которых не существенны временные параметры
(инертные процессы и низкоскоростные устройства).
Ограниченные скоростные возможности стандартного COM-порта
(115 Кбод) привели к появлению новой сетевой идеологии нижнего уровня. В
основе физического слоя (physical layer) практически всех полевых шин
лежит протокол RS-485 как электрическое содержание среды передачи,
различие состоит в своде правил движения информации.
61
Для дискретных производств больше подходят асинхронные протоколы
обмена. Но здесь возникает вопрос о времени отклика устройства и режиме
реального времени. Еще необходимо учесть приоритетность запросов от
устройств.
Для (циклических) непрерывных производств более приемлемыми
оказываются синхронные способы передачи. Обновление информации в
контроллере осуществляется за фиксированный промежуток времени для
самого удаленного узла. Этот режим позволяет работать на больших
скоростях, но на ограниченных расстояниях. Синхронизация обеспечивается
специальным
MASTER-узлом
с
использованием
еще
одной
дифференциальной пары проводов.
MASTER-узел - это логический центр любой топологии. Ведомый узел
(SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведущего
узла (MASTER). Данный принцип является наиболее распространенной на
контроллерном (Field Level) и датчиковом (Sensor / actuator Level) уровнях.
Помимо принципа доступа MASTER/SLAVE в некоторых сетях
реализован метод CSMA/CD. Здесь каждый блок данных содержит
дополнительный идентификатор, который является приоритетом данного
сообщения. Каждый узел-приемник выбирает предназначенные для него
сообщения.
Если вернуться к вопросу о выборе того или иного протокола связи, то
здесь однозначного ответа дать нельзя. Выбор должен основываться на
специфике следующих признаков:
 непрерывность и дискретность процесса;
 требование работы в реальном времени (РВ);
 разбросанность или сосредоточенность контролируемых точек;
 малая (до 2-3 десятков) или большая (до нескольких сот)
информационная плотность;
 степень электрической и(или) электромагнитной зашумленности;
 стоимость варианта.
Наиболее распространенными Fieldbus-шинами являются: CAN, LON,
PROFIBUS, Interbus, WorldFIP, HART, ASI, ControlNet и др. Характеристики
некоторых из них сведены в таблице 3.1 и приложении А. Сравнительная
характеристика промышленных сетей приведена в таблице 3.2.
62
Таблица 3.2 - Возможные области применения FieldBus
Протокол
Н
Д
В
Д
Д
ККРа
епре- исозмож альальво уст- во уст- бота в
рывное кретно ность ность ность в
в более зашум
пр-во е
работы до 3 км свыше менее 33
л.
пр в РВ
3 км 33
зонах
-во
BITBUS
+
+
+
+
+
WorldFIP
+
+
+
+
+
CANBUS
+
+
+
+
LonWorks
+
+
+
+
HART
+
+
+
ASI
+
+
+
+
+
PROFIBU
SFMS
OP
PA
INTERBU
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
S-S
При выборе коммуникационной технологии можно руководствоваться
количественными параметрами (объем передаваемых полезных данных,
максимальная длина шины, допустимое число узлов на шине,
помехозащищенность и др.), ценовым критерием (затраты в расчете на один
узел), популярностью, эффективностью решения задачи, простотой
конфигурирования и т. д. При этом улучшение одного параметра может
привести к ухудшению другого. [27]
4.3 Программная реализация систем управления
4.3.1 Виды программного обеспечения
При решении задач реализации (построения) СУ обычно
используются специализированные программные пакеты, которые
достаточно условно можно разбить на подмножества:
CASE–средства
(Computer
Aided
Software
Engineering),
предназначенные
для
программирования
задач,
реализуемых
подсистемами
нижнего
уровня
АСУТП
на
промышленных
микроконтроллерах (ремиконтах);
63
ОСРВ - операционные системы реального времени: pSOS, VRTX,
LynxOS, VxWorks, QNX, OS9 и др. [28, 29];
SCADA–системы (Supervisory Control And Data Acquisition), которые
предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП из
таких элементов, как микроконтроллеры, компьютеры, технологические
станции и т. д. и программирования задач, отнесённых к SCADA – уровню;
ПТК - программно-технические комплексы:
Spectrum (Foxboro, США);
Intelligent Automation Series (Foxboro, США);
Centum, Yew Series (Yokogawa, Япония);
СКАТ (Россия);
ЭСРВ - экспертные систем реального времени, к числу которых
относятся:
G2 (фирма Gensym);
RTWorks (Talarian, США);
COMDALE/C (Comdale Tech., Канада);
COGSYS (SC, США);
ILOG Rules (ILOG, Франция);
СУБД – системы управления базами данных.
MRP-системы (MRP – Material Requirements Planning) автоматизированное планирование потребности в сырье и материалах для
производства;
MRP II (Manufacturing Resource Planning) – планирование ресурсов
предприятия;
ERP-системы
(ERP
Enterprise
Resource
Planning
–
планирование/управление ресурсами предприятия с точки зрения бизнеса);
EAM-системы (EAM - Enterprise Asset Management - управление
основными фондами и имуществом).
Логика развития АСУТП в нефтегазовой промышленности диктует
необходимость интеграции разработок специализированных аппаратнопрограммых средств, в дальнейшем встроенных систем, применяемых для
обработки информации, контроля и управления рассредоточенными по
территории объектами.
64
4.3.2 SCADA-системы
Средний уровень (уровень управления по показателям качества
продуктов и эффективности производства) может быть реализован с
использованием
SCADA-систем
отечественных
и
зарубежных
производителей, например [29 – 34]:
Trace Mode (AdAstra, Россия);
GENIE (Advantech, Тайвань);
Genesys (Iconics, США);
Real Flex (BJ, США);
FIX (Intellution, США);
Factory Suite, InTouch (Wanderware, США);
Citect (CiTechnologies, США) и др.
Перечисленные выше программные продукты предназначены для
использования на действующих технологических установках в реальном
времени и, следовательно, требуют использования компьютерной техники в
промышленном исполнении, отвечающей наиболее жестким требованиям в
смысле надежности, стоимости и безопасности.
К SCADA-системам предъявляются особые требования [30, 35]:
- соответствие нормативам "реального времени" (в т.ч. и "жесткого
реального времени");
- способность адаптироваться как к изменениям параметров среды в
темпе с этими изменениями, так и к условиям работы информационноуправляющего комплекса;
- способность работать в течение всего гарантийного срока без
обслуживания (бесперебойная работа годами);
- установка в отдаленных и труднодоступных местах (как
географически - малообжитые районы, так и технологически - колодцы,
эстакады).
Основные возможности SCАDA-систем:
- сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;
- архивирование и хранение информации для последующей обработки
(создание архивов событий, аварийной сигнализации, изменения
технологических параметров во времени, полное или частичное
сохранение параметров через определенные промежутки времени);
- визуализация процессов;
- реализация алгоритмов управления, математических и логических
вычислений (имеются встроенные языки программирования типа VBasic,
Pascal, C и др.), передача управляющих воздействий на объект;
65
- документирование как технологического процесса, так и процесса
управления (создание отчетов), выдача на печать графиков, таблиц,
результатов вычислений и др.;
- сетевые функции (LAN, SQL);
- защита от несанкционированного доступа в систему;
- обмен информацией с другими программами (например, Outlook,
Word и др. через DDE, OLE и т.д.).
Понятие открытости ПО
Открытость: аппаратная и программная [27, 30].
Аппаратная открытость – поддержка или возможность работы с
оборудованием сторонних производителей.
Современная SCADA не ограничивает выбора аппаратуры нижнего
уровня, т.к. предоставляет большой выбор драйверов или серверов вводавывода.
Программная открытость - для программной системы определены и
открыты используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что
позволяет подключить к ней внешние, независимо работающие компоненты,
в том числе разработанные отдельно программные и аппаратные модули
сторонних производителей.
Для подсоединения драйверов ввода-вывода к SCADA используются два
механизма:
- стандартный динамический обмен данными (DDE – Dynamic Data
Exchange и др.),
- по внутреннему протоколу, известному только фирме-разработчику.
В большинстве SCADA используется DDE, однако из-за ограничений по
производительности и надежности он не совсем пригоден для реального
времени. Взамен него Microsoft предложила более эффективное средство:
OLE (Object Linking and Embeddung – включение и встраивание объектов).
ОРС
ОРС
Приложение
SCADA,
база данных,
модель
и т.д.
ОРС
сервер
ОРС
ОРС
SCADA
драйвер
устройства
драйвер
устройства
устройство
SCADA
Рисунок 3.5
66
устройство
На базе OLE появился новый стандарт OPC (OLE for Process Control),
ориентированный на рынок промышленной автоматизации. Новый стандарт
позволяет, во-первых, объединять на уровне объектов различные системы
управления и контроля, во-вторых, устраняет необходимость использования
различного
нестандартного
оборудования
и
соответствующих
коммуникационных программных драйверов [30].
Варианты обмена SCADA-систем с приложениями и физическими
устройствами через ОРС приведены на рисунке 3.5.
Типичная последовательность действий при программировании
SCADA-системы:
1) Формирование статического изображения рабочего окна: фон,
заголовки, мнемосхема процесса и т.д.
2) Формирование динамических объектов каждого окна. Как
правило,
динамические
объекты
создаются
с
помощью
специализированного графического редактора самого SCADA-пакета по
жестко заданному алгоритму или на основе набора библиотечных
элементов с последующим присвоением параметров (например, рукоятка
на экране).
3) Описание алгоритмов отображения, управления, архивирования,
документирования. Для этого имеются соответствующие встроенные
языки программирования.
Для
программирования
контроллеров
и
SCADA-систем
стандартизированы 5 языков программирования (IEC 1131-3) [34, 36 – 39]:
- SFC – Sequential Function Diagrams – последовательности функций,
блок-схемы;
- FBD – Functional Block Diagrams - язык функциональных блоков;
- LD – Ledder Diagrams – язык релейных схем;
- ST – Structured Text – язык, похожий на Pascal;
- IL – Instruction List – язык мнемоник, ассемблер.
67