Структурна схема автоматизованої системи керування. Структура розподіленої АСУ ТП. Ієрархічна трирівнева структура АСУ ТП

Схема є основним документом, що пояснює принцип дії та взаємодії різних елементів, пристроїв або загалом систем автоматичного управління. Найчастіше використовують принципові, функціональні структурні (функціональні) та алгоритмічні структурні (структурні) типи схем. Крім них при проектуванні, монтажі, налагодженні та експлуатації САУ застосовують схеми з'єднання та підключення (монтажні).

ПРИНЦИПІАЛЬНІ, ФУНКЦІОНАЛЬНІ ТА СТРУКТУРНІ СХЕМИ

На принциповій схемі всі елементи системи зображують відповідно до умовних позначень у взаємозв'язку між собою. З принципової схеми повинен бути ясний принцип її дії і фізична природа процесів, що відбуваються в ній. Принципові схеми можуть бути електричними, гідравлічними, пневматичними, кінематичними та комбінованими. На малюнку 1.19 як приклад представлені фрагменти принципової електричної та принципової гідравлічної схем.

Елементи автоматики на важливих схемах слід позначати відповідно до стандарту. Зображення елементів має відповідати вимкненому стану (знеструмленому, за відсутності надлишкового тиску тощо) всіх ланцюгів схеми та відсутності зовнішніх впливів. Схема має бути логі-

Рис. 1.19.

а- електричної, б- гідравлічної

послідовно і читатися зліва направо або зверху вниз. Кожному елементу принципової схеми надають буквенно-цифрове позиційне позначення. Буквене позначення зазвичай є скорочене найменування елемента, а цифрове у порядку зростання й у певної послідовності умовно показує нумерацію елемента, рахуючи ліворуч або зверху вниз. Для складних схем, як правило, розшифровують скорочені буквені та цифрові позначення.

Функціональні структурні схеми відображають взаємодію пристроїв, блоків, вузлів та елементів автоматики в процесі їх роботи. Графічно окремі пристрої автоматики зображують прямокутниками, що відповідають напрямку проходження сигналу. Внутрішнє утримання кожного блоку не конкретизують. Функціональне призначення блоків позначають буквеними символами. На малюнку 1.20 як приклад представлена ​​функціональна схема САУ температурою повітря у парнику, де ОУ-об'єкт управління (парник), ВЕ- сприймає елемент (датчик температури), ПЕ- перетворюючий

Рис. 1.20. Функціональна схема САУ температурою повітря у парнику елемент (підсилювач з реле на виході), РО-регулюючий орган (електронагрівник), у -керована величина (температура), g-що задає вплив (необхідна температура); зовнішніх факторівна температуру повітря у парнику).

Алгоритмічні структурні схеми показують взаємозв'язок складових частин автоматичної системита характеризують їх динамічні властивості. Ці схеми розробляють з урахуванням функціональних чи важливих схем автоматики. Алгоритмічна структурна схема - найзручніша графічна форма подання САУ у процесі дослідження її динамічних властивостей. У цій схемі не враховують фізичну природу впливів та особливості конкретної апаратури, але відображають лише математичну модельпроцесу керування.

На структурній схемі, як і на функціональній, елементи УУі ОУзображують як прямокутників. При цьому будь-який пристрій може бути представлений декількома ланками (прямокутниками), і, навпаки, кілька однотипних пристроїв можуть бути зображені як одна ланка.

Поділ САУ на елементарні ланки спрямованої дії виконують залежно від виду математичного рівняння, що зв'язує вихідну величину із вхідною для кожної ланки. Усередині ланки (прямокутника) вказують математичну залежність між вхідною та вихідною величинами. Ця залежність може бути представлена ​​або формулою, або графіком, або таблицею. Аналогічно функціональної схеми зв'язку між ланками зображують у вигляді стрілок, що вказують напрямок і точки застосування величин, що впливають.

Структурна схема САУ температурою повітря у парнику представлена ​​малюнку 1.21. Загальний вигляд цієї схеми збігається з функціональною схемою (див. рис. 1.20), однак усередині прямокутників містяться функції або графіки, що пов'язують вихідні величини кожного елемента з вхідними.

Як приклад розглянемо принцип дії принципової електричної схеми САУ температурою теплоносія

Рис. 1.21.

Рис. 1.22.

/-заслінка; 2- ІМ; 3 ~підсилювач

шахтної зерносушарки (рис. 1.22) та складемо для неї функціональну схему. Необхідна температура теплоносія в зерносушарці підтримується за допомогою заслінки 7, яка, повертаючись, змінює співвідношення приток гарячого повітря Q r ,що надходить з топки, і холодного Q x ,забирається з атмосфери. Температуру всередині зерносушарки вимірює термодатчик R,включений в одне з плечей вимірювального моста. Задане значення керованої величини g(температури) встановлюють, переміщуючи двигун резистора - задатчика R1.Оскільки сигнал виходу з вимірювального мосту малої потужності, то для керування реверсивним електродвигуном 2 (ІМ)використовують підсилювач 3.

Коли температура теплоносія всередині зерносушарки відхиляється від заданої, на виході мосту з'являється сигнал розбалансу, який через підсилювач 3 та реле К1або К2надходить у електродвигун 2, включаючи його. Від двигуна приводиться в дію заслінка 7, що переміщається в ту чи іншу сторону, залежно від знака сигналу.

Внаслідок інерційності термодатчика R,та його віддаленості від заслінки 7 процес управління може продовжуватися нескінченно, тобто новий рівноважний режим у системі не встановиться. Дійсно, коли заслінка займе нове рівноважне положення, температура термодатчика ще деякий час залишається незмінною, внаслідок чого виконавчий механізм продовжить переміщати заслінку. Далі температура в місці установки термодатчика спочатку зрівняється із заданою, а потім відхилиться від неї в протилежний бік, тобто набере значення зі зворотним знаком. Іншими словами, у системі виникнуть періодичні коливання, які називаються автоколиваннями. Автоколивання керованої величини (температури) у цій системі виникають унаслідок те, що двигун зупиняється над момент досягнення заслінкою необхідного становища, і з деяким запізнюванням.

Для усунення автоколивань або зменшення їх амплітуди застосовують зворотний зв'язок (ОС),яка дозволяє зупинити двигун до того, як температура теплоносія досягне заданого значення, оскільки після припинення переміщення заслінки температура об'єкта та термодатчика наближається до заданого значення.

Зворотний зв'язок здійснюється за допомогою змінного резистора Ло. з повзунок якого механічно пов'язаний з ротором електродвигуна 2 та переміщається одночасно з ним. Очевидно, що рівновага в системі настане в той момент, коли збільшення опору Лос, що виникає внаслідок пересування повзунка, і збільшення опору R„викликане зміною температури теплоносія, стануть рівні між собою (АТ, с = ДЛ,). Таким чином, електродвигун 2 у цій системі зупиняється і перехідний процес повністю припиняється в той момент, коли відхилення температури стане менше зони нечутливості регулятора.

На функціональній схемі (рис. 1.23) зерносушарка являє собою об'єкт управління (030, термодатчик - орган, що сприймає (50), вимірювальний міст - порівнювальний елемент (СО), підсилювач - підсилювальний елемент ( УЕ), електродвигун - виконавчий механізм (ІМ),заслінка - регулюючий орган (РВ),між валом ЇМта повзунком потенціометра - Зворотній зв'язок(ОС). Тут же/- вплив, що обурює (температура зовнішнього повітря, вологість і початкова температура зерна), g-задає вплив (необхідна температура сушіння), у- керована величина (фактична температура теплоносія), і -керуючий вплив (теплота, що надходить у зерносушарку з теплоносієм).

Рис. 1.23.

СХЕМИ З'ЄДНАНЬ ЩИТІВ, ПУЛЬТІВ УПРАВЛІННЯ, ЗОВНІШНІХ З'ЄДНАНЬ І ПІДКЛЮЧЕНЬ

Схеми з'єднань - це схеми, у яких зображують з'єднання складових частин устрою чи зовнішні з'єднання між окремими пристроями. Схеми для приладів, що встановлюються в щитах або пультах управління, розробляють на основі функціональних схем, принципових електричних схем, схем живлення, а також загальних видів щитів та пультів.

Загальні правила виконання схем з'єднань такі:

схеми з'єднань розробляють на один щит, пульт, станцію керування;

всі типи апаратів, приладів та арматури, передбачені принциповою електричною схемою, повинні бути повністю відображені на схемі з'єднань;

позиційне позначення приладів та засобів автоматизації та маркування ділянок ланцюгів, прийняті на принциповій електричній схемі, необхідно зберігати у схемі з'єднань.

Застосовують три способи складання схем з'єднань: графічний, адресний та табличний. Для адресного та табличного способу, крім перелічених правил, слід дотримуватися ще кілька:

прилади та апарати на схемах з'єднань зображують спрощено без дотримання масштабу у вигляді прямокутників, над якими поміщають коло, розділене горизонтальною межею. Цифри над межею вказують порядковий номер пристрою (рис. 1.24, цифра 8); номери присвоюють попанельно зліва направо та зверху вниз), а під межею - позиційне позначення цього виробу (наприклад, КТЗ)

за потреби показують внутрішню схему апаратів (рис. 1.24);

Рис. 1.24.

для декількох реле, розташованих в одному ряду, внутрішню схему показують лише один раз, якщо вона однакова;

вивідні затискачі приладів умовно зображають колами, всередині яких вказують їхнє заводське маркування (наприклад, 1...8 на рис. 1.24). Якщо у вивідних затискачів апаратів заводського маркування немає, їх маркують умовно арабськими цифрами і вказують це пояснює записи;

платам, у яких розміщені діоди, тріоди, резистори тощо, привласнюють лише порядковий номер (його проставляють у колі під межею);

позиційне позначення елементів розміщують у безпосередній близькості від їх умовного графічного зображення (рис. 1.25);

Рис. 1.2

якщо прилади та засоби автоматизації розташовуються на декількох елементах конструкції щита або пульта (кришці, задній панелі, дверцятах), то необхідно розгорнути ці конструкції в одну площину, дотримуючись взаємного розміщення приладів і засобів автоматизації.

Графічний спосіб у тому, що у кресленні умовними лініями показують все з'єднання між елементами апаратів (рис. 1.26). Цей спосіб застосовують тільки для щитів та пультів, відносно мало насичених апаратурою. Схеми трубних проводок виконують лише графічним способом. Якщо на одному щиті або пульті прокладають труби з різного матеріалу(сталеві, мідні, пластмасові), то й умовні позначення використовують різні: суцільні лінії, штрихові, штрихові-пунктирні з двома точками тощо.

Адресний («зустрічний») спосіб полягає в тому, що лінії зв'язку між окремими елементами апаратів, встановлених на щиті або пульті, не зображують. Натомість біля місця приєднання дроту на кожному апараті або елементі проставляють цифрову або буквено-цифрову адресу того апарата або елемента, з яким він повинен бути електрично пов'язаний (позиційне позначення відповідає принциповій електричній схемі або порядковому номеру виробу). При такому зображенні

Рис. 1.26.

Рис. 1.27.

схеми креслення не захаращується лініями зв'язку та легко читається (рис. 1.27). Адресний спосіб виконання схем з'єднань - основний та найпоширеніший.

Табличний спосіб застосовують у двох варіантах. Для першого складають монтажну таблицю, де вказують номери кожного електричного кола. У свою чергу, для кожного ланцюга послідовно перераховують умовні буквено-цифрові позначення всіх приладів, апаратів та їх контактів, за допомогою яких ці ланцюги з'єднані (табл. 1.1). Так, для ланцюга 7запис позначає, що затискач 6 приладу КМ1з'єднується із затискачем 4 приладу КМ2, який, у свою чергу, повинен бути з'єднаний із затискачем 3 пристрої КТ4.

1.1. Приклад таблиці з'єднань

Номер ланцюга	З'єднання
	КМ 1 КМ2 КТ 4 6 4 3
	КМ 4 XT 1 2 293
	XTI HL1 КН2 XT 2 328 1 12 307

Другий варіант заповнення таблиці з'єднань відрізняється від першого тим, що таблицю вписують провідники за зростанням номерів маркування ланцюгів примусових електричних схем (табл. 1.2). Напрямок прокладання проводів, як і для першого варіанту, записують у вигляді дробу. Для чіткішого розпізнавання провідників прийнято використовувати додаткові позначення. Наприклад, перемичку, яка виконується в апараті, позначають буквою «п».

1.2. Приклад таблиці з'єднання проводів

Схеми підключень служать робочими кресленнями, якими виконують монтаж апаратури автоматики, тому ще називають монтажними. Схеми, що показують зовнішнє підключенняапаратів, установок, щитів, пультів тощо, виконують на основі функціональних та принципових схем живлення, специфікації приладів та обладнання, а також креслень виробничих приміщень з розташуванням технологічного обладнання та трубопроводів.

Схеми підключень використовують при монтажі проводів, за допомогою яких установку, прилад, апарат підключають до джерел живлення, щитів, пультів тощо.

Насправді застосовують два способи складання схем підключень: графічний і табличний. Найбільш поширений графічний.

На схемах підключень за допомогою умовних графічних позначень показують: добірні пристрої та первинні перетворювачі; щити, пульти та місцеві пункти управління, контролю, сигналізації та вимірювання; позащитові прилади та засоби автоматизації; сполучні, протяжні та вільні коробки; електропроводи та кабелі, прокладені поза щитами; вузли приєднання електропроводів до приладів, апаратів, коробок; запірну апаратуру та елементи для з'єднань та відгалужень; комутаційні затискачі, розташовані поза щитами, захисне заземлення. Шафи, пульти, окремі прилади та апарати умовно зображають у вигляді прямокутників або гуртків, усередині яких поміщають відповідні підписи.

Зв'язки одного призначення на схемах підключень показують суцільною лінією і лише в місцях приєднання до приладів, виконавчих механізмів та інших апаратів дроту поділяють з метою маркування. На лініях зв'язку, що позначають дроти або кабелі, вказують номер дроту (підключення), марку, переріз і довжину дротів і кабелів (якщо проводка виконана в трубі, необхідно також навести характеристику труби). Проводи підключень та кабелі зображають лініями завтовшки 0,4.. .1 мм.

Схеми підключень виконують без дотримання масштабу як зручному для користувача. Іноді схеми підключень представляють як таблиць, які виконують окремо на кожну секцію (або панель) щита управління (табл. 1.3).

1.3. Приклад таблиці підключень

Кабель, провід		Напрямок проведення

Для загального ознайомлення із системою призначена структурна схема (рис. 6.2). Структурна схема -це схема, що визначає основні функціональні частини виробу, їх призначення та взаємозв'язки.

Структура -це сукупність елементів автоматизованої системи, На які вона може бути розділена за певною ознакою, а також шляхи передачі впливу між ними. В загальному випадкуБудь-яка система може бути представлена ​​такими структурами:

• ? конструктивної -коли кожна частина системи є самостійним конструктивним цілим;
• ? функціональної -коли кожна частина системи призначена для виконання певної функції (повні відомості про функціональної структуриіз зазначенням контурів регулювання даються на схемі автоматизації);

Рис. 6.2.

? алгоритмічної -коли кожна частина системи призначена для виконання певного алгоритму перетворення вхідної величини, що є частиною алгоритму функціонування.

Слід зазначити, що з простих об'єктів автоматизації структурні схеми можуть наводитися.

Вимоги до цих схем встановлює РТМ 252.40 «Автоматизовані системи керування технологічними процесами. Структурні схеми управління та контролю». Відповідно до цього документа, конструктивні структурні схеми містять: технологічні підрозділи об'єкта автоматизації; пункти

контролю та управління, у тому числі не входять до складу проекту, що розробляється, але мають зв'язок з проектованою системою; технічний персонал та служби, що забезпечують оперативне управління та нормальне функціонування технологічного об'єкта; основні функції та технічні засоби, що забезпечують їх реалізацію у кожному пункті контролю та управління; взаємозв'язку між частинами об'єкта автоматизації

Елементи структурної схеми зображують як прямокутників. Окремі функціональні служби та посадові особидопускається зображати гуртком. Усередині прямокутників розкривається структура цієї ділянки. Функції автоматизованої системи керування технологічним процесомвказуються умовними позначеннями, розшифровка яких дається у таблиці над основним написом за шириною напису. Взаємозв'язок між елементами структурної схеми зображують суцільними лініями, злиття та розгалуження - лініями зі зламом. Товщина ліній наступна: умовних зображень- 0,5 мм, ліній зв'язку - 1 мм, решти - 0,2...0,3 мм. Розміри елементів структурних схем не регламентуються та вибираються на розсуд.

У прикладі (рис. 6.2) наведено фрагмент виконання конструктивної схеми керування та контролю станції водоочищення. У нижній частині розкрито технологічні підрозділи об'єкта автоматизації; у прямокутниках середньої частини - основні функції та технічні засоби пунктів місцевого управлінняагрегатами; у верхній частині - функції та технічні засоби пункту централізованого управліннястанцією. Оскільки схема займає кілька аркушів, позначені переходи ліній зв'язку на наступні аркуші і показаний обрив прямокутника, що розкриває структуру об'єкта автоматизації.

На лініях зв'язку між окремими елементами системи управління може бути зазначено напрямок інформації, що передається, або керуючих впливів; при необхідності лінії зв'язку можуть бути позначені літерними позначеннями виду зв'язку, па- приклад: К - контроль, С - сигналізація, ДК - дистанційне управління, АР - автоматичне регулювання, ДС - диспетчерський зв'язок, ПГС - виробничий телефонний (гучномовний) зв'язок і т.д. п.

Відповідно до вимог до функціонування тепличного господарстваз конвекційним теплообміном та системою зрошення схему автоматизації технологічного процесу вирощування сільгосппродукції у блокових стаціонарних теплицях можна представити у вигляді функціональної схеми автоматизації представленої на рис. 3.1.

На схемі автоматизації (див. рис. 3.1) прийнято такі позначення:

• 1 - Повітряна заслінка припливної вентиляції з електроприводом;
• 2 - циркуляційний вентилятор;
• 3 – ТЕН;
• 4 - Повітряна заслінка витяжної вентиляції з електроприводом;
• 5 - електромагнітний клапан контуру зрошення;
• 6 – Форсунки системи зрошення (поливу);
• 7 - Датчик відчинення дверей (або вікон);
• 8, 9 – датчик вологості грунту;
• 10 - Вимірювач вологості та температури повітря.

На підставі розробленої схеми автоматизації архітектуру системи управління доцільно проектувати за трирівневою схемою. На першому (нижньому) рівні забезпечується збір технологічної інформації з вимірювальних перетворювачів та управління встановленими за місцем виконавчими механізмами та релейною автоматикою. Сигнали з вимірювальних перетворювачів температури та вологості обробляються програмованим логічним контролером (ПЛК).

На підставі розробленої схеми автоматизації архітектуру системи управління доцільно проектувати за трирівневою схемою. На першому (нижньому) рівні забезпечується збір технологічної інформації з вимірювальних перетворювачів та управління встановленими за місцем виконавчими механізмами та релейною автоматикою. Сигнали з вимірювальних перетворювачів температури та вологості обробляються ПЛК. За заданим алгоритмом управління режимом мікроклімату формує сигнали, що управляють, на виконавчі механізми контурів управління. Другий рівень забезпечує програмне управлінняза заданим технологічним процесом вирощування сільськогосподарської культури з посади оператора. Програмна система автоматично перевіряє та контролює температуру, рівень вологості в камері та на поверхні ґрунту за допомогою сенсорів та клапана нагрівального трубопроводу, а також системи зволоження. До обладнання даного рівня відноситься пульт управління та ПЛК, встановлені в пультовій. Промисловий комп'ютер об'єднаний мережею Profibus DP з розподіленим обладнанням та підключений до локального сегменту тепличного господарства через мережу Ethernet на третьому рівні.

На третьому (верхньому) рівні здійснюється централізована обробка інформації про технологічний процес на підприємства мережі Ethernet. Обробка інформації включає контроль за ходом технологічного процесу, витратою теплоносія, протоколювання, архівування та оперативний контроль.

Структурна схема автоматизованої системи управління технологічним процесом регулювання кліматом усередині тепличного середовища зображено на рис. 3.2.

Малюнок 3.1 - Автоматизована система керування мікрокліматом теплиці

Рисунок 3.2 – Структурна схема АСУ МКТ

Лекція 9

При розробці проекту автоматизації насамперед необхідно вирішити, з яких місць ті чи інші ділянки об'єкта керуватимуться, де розміщуватимуться пункти управління, операторські приміщення, якою має бути взаємозв'язок між ними, тобто. Необхідно вирішити питання вибору структури управління. Під структурою управління розуміється сукупність елементів автоматичної системи, куди може бути розділена за певним ознакою, і навіть шляху передачі впливів з-поміж них. Графічне зображення структури управління називається структурною схемою. Хоча вихідні дані для вибору структури управління та її ієрархії з тим чи іншим ступенем деталізації обумовлюються замовником при видачі завдання на проектування, повна структурауправління має розроблятися проектною організацією.

В самому загальному виглядіструктурна схема системи автоматизації представлена ​​малюнку 9.1. Система автоматизації складається з об'єкта автоматизації та системи управління цим об'єктом. Завдяки певній взаємодії між об'єктом автоматизації та системою управління система автоматизації загалом забезпечує необхідний результат функціонування об'єкта, що характеризується параметрами х 1 х 2 …х n

Робота комплексного об'єкта автоматизації характеризується рядом допоміжних параметрів у 1, у 2, ..., y j, які також повинні контролюватись і регулюватися.

У процесі роботи на об'єкт надходять обурювальні впливи f 1 , f 2 , ..., fi, викликають відхилення параметрів х 1 , х 2 , х n від їх необхідних значень. Інформація про поточних значенняхх 1 , х 2 , х n , y 1 , y 2 , y n надходить у систему управління і порівнюється з запропонованими ним значеннями g j , g 2 ,..., g k , внаслідок чого система управління виробляє керуючі дії Е 1 , E 2 , ..., Е m для компенсації відхилень вихідних параметрів.

Рисунок 9.1 – Структурна схема системи автоматизації

Вибір структури управління об'єктом автоматизації істотно впливає на ефективність його роботи, зниження відносної вартості системи управління, її надійності, ремонтоспроможності тощо.

У випадку будь-яка система може бути представлена:

· Конструктивною структурою;

· функціональною структурою;

· алгоритмічною структурою.

У конструктивній структурі системи кожна її частина є самостійним конструктивним цілим (рисунок 9.1).

У конструктивній схемі присутні:

· Об'єкт та система автоматизації;

· Інформаційні та керуючі потоки.

У алгоритмічної структурі кожна частина призначена до виконання певного алгоритму перетворення вхідного сигналу, що є частиною всього алгоритму функціонування системи.

Проектувальник розробляє алгоритмічну структурну схему (АСС) об'єкта автоматизації за диференціальними рівняннями або графічними характеристиками. Об'єкт автоматизації представляється як кількох ланок з різними передатними функціями, з'єднаними між собою. В АСС окремі ланки можуть мати фізичної цілісності, але з'єднання їх (схема загалом) за статичним і динамічним властивостями, за алгоритмом функціонування має бути еквівалентно об'єкту автоматизації. На малюнку 9.2 наведено приклад АСВ АСУ.

Рисунок 9.2 – Алгоритмічна структурна схема, представлена ​​у вигляді простих ланок

У функціональній структурі кожна частина призначена для виконання певної функції.

У проектах автоматизації є конструктивні структурні схеми з елементами функціональних ознак. Повні відомості про функціональну структуру із зазначенням локальних контурів регулювання, каналів управління та технологічного контролю наводяться у функціональних схемах (лекція 10).

Структурна схема АСУ ТП розробляється на стадії "Проект" при двостадійному проектуванні та відповідає складу системи. Як приклад на малюнку 9.3 наведено структурну схему управління сірчано-кислотним виробництвом.

Рисунок 9.3 – Фрагмент структурної схеми управління та контролю сірчано-кислотним виробництвом:

1 – лінія зв'язку із цеховою хімічною лабораторією; 2 – лінія зв'язку з пунктами контролю та управління кислотною ділянкою; 3 – лінія зв'язку з пунктом контролю та управління III та IV технологічними лініями

На структурній схемі відображаються у загальному вигляді основні рішення проекту щодо функціональної, організаційної та технічної структур АСУ ТП з дотриманням ієрархії системи та взаємозв'язків між пунктами контролю та управління, оперативним персоналом та технологічним об'єктом управління. Прийняті під час виконання структурної схеми принципи організації оперативного управління технологічним об'єктом, склад та позначення окремих елементів структурної схеми повинні зберігатися у всіх проектних документах на АСУ ТП.

Таблиця 9.1 – Функції АСУ ТП та його умовні позначення малюнку 9.3

Умовне позначення

Найменування

Контроль параметрів Дистанційне керування технологічним обладнаннямта виконавчими пристроями Вимірювальне перетворення Контроль та сигналізація стану обладнання та відхилення параметрів Стабілізуюче регулювання Вибір режиму роботи регуляторів та ручне керування задатчиками Ручний ввідданих Реєстрація параметрів Розрахунок техніко-економічних показників Облік виробництва та складання даних за зміну Діагностика технологічних ліній (агрегатів) Розподіл навантажень технологічних ліній (агрегатів) Оптимізація окремих технологічних процесів Аналіз стану технологічного процесу Прогнозування основних показників виробництва Оцінка роботи зміни Контроль виконання планових завдань Контроль Підготовка та видача оперативної інформації в АСУП Отримання виробничих обмежень та завдань від АСУП

На структурній схемі показують такі елементи:

1. технологічні підрозділи (відділення, ділянки, цехи, виробництва);

2. пункти контролю та управління (місцеві щити, операторські та диспетчерські пункти, блокові щити тощо);

3. технологічний персонал (експлуатаційний) та додаткові спеціальні служби, що забезпечують оперативне управління;

4. основні функції та технічні засоби, що забезпечують їх реалізацію у кожному пункті контролю та управління;

5. взаємозв'язок між підрозділами та з вищою АСУ.

Функції АСУ ТП шифрують і схемою позначають як чисел. Умовні позначенняфункцій АСУТП малюнку 9.3 наведено у таблиці 9.1.

Структурна схема системи автоматизації виконується по вузлах і включає всі елементи системи від датчика до регулюючого органу із зазначенням розташування, показуючи їх взаємозв'язку між собою.

Розвиток АСУ ТП на етапі пов'язані з широким використанням управління мікропроцесорів і микроЭВМ, вартість яких із кожним роком стає дедалі нижчою проти загальними витратами створення систем управління. До появи мікропроцесорів еволюція систем управління технологічними процесами супроводжувалася збільшенням рівня централізації. Однак можливості централізованих систем тепер уже виявляються обмеженими і не відповідають сучасним вимогам щодо надійності, гнучкості, вартості систем зв'язку та програмного забезпечення.

Перехід від централізованих систем управління до децентралізованих викликано також зростанням потужності окремих технологічних агрегатів, їх ускладненням, підвищенням вимог щодо швидкодії та точності до їх роботи. Централізація систем управління економічно виправдана за порівняно невеликої інформаційної потужності (число каналів контролю та регулювання) ТОУ та його територіальної зосередженості. При великому числі каналів контролю, регулювання та управління, великий довжині ліній зв'язку в АСУ ТП децентралізація структури системи управління стає важливим способом підвищення живучості АСУ ТП, зниження вартості та експлуатаційних витрат.

Найбільш перспективним напрямом децентралізації АСУ ТП слід визнати автоматизоване керуванняпроцесами з розподіленою архітектурою, що базується на функціонально-цільовій та топологічній децентралізації об'єкта управління.

Функціонально-цільова децентралізація- цей поділ складного процесуабо системи на менші частини - підпроцеси або підсистеми за функціональною ознакою (наприклад, переділи технологічного процесу, режими роботи агрегатів і т. д.), що мають самостійні цілі функціонування.

Топологічна децентралізаціяозначає можливість територіального (просторового) поділу процесу на функціонально-цільові підпроцеси. При оптимальній топологічній децентралізації кількість підсистем розподіленої АСУ ТП вибирається так, щоб мінімізувати сумарну довжину ліній зв'язку, що утворюють разом із локальними підсистемами управління мережеву структуру.

Технічною основою сучасних розподілених систем управління, що зумовило можливість реалізації таких систем, є мікропроцесори та мікропроцесорні системи.

Мікропроцесорна система виконує функції збору даних, регулювання та управління, візуалізації всієї інформації бази даних, зміни уставок, параметрів алгоритмів та самих алгоритмів, оптимізації тощо. Використання мікропроцесорів (зокрема мікроЕОМ) на вирішення перелічених завдань дає можливість досягти таких целей:

а) замінити аналогові технічні засоби на цифрові там, де перехід до цифрових засобів підвищує точність, розширює функціональні можливості та збільшує гнучкість систем керування;

б) замінити технічні засоби з жорсткою логікою на програмовані (з можливістю зміни програми) пристрої, або мікроконтролери;

в) замінити одну міні-ЕОМ системою з кількох мікроЕОМ, коли необхідно забезпечити децентралізоване управління виробництвом або технологічним процесом з підвищеною надійністю та живучістю або коли можливості міні-ЕОМ повністю не використовуються.

Мікропроцесорні системи можуть виконувати в підсистемах розподіленої АСУ ТП всі типові функції контролю, виміру, регулювання, управління, подання інформації оператору.

У розподілених АСУ ТП прийнято переважно три топологічні структури взаємодії підсистем: зіркоподібна (радіальна); кільцева (петльова); шинна (магістральна) чи їх комбінації. Організація зв'язку з датчиками та виконавчими пристроями носить індивідуальний та переважно радіальний характер.

На рис.3.5 зображено варіанти топологій розподілених АСУ ТП.

Рисунок 3.5 – Типові структури розподілених АСУ ТП:

а - радіальна, б - магістральна, в - кільцева

Радіальна структура взаємодії підсистем (рис.3.5,а) відображає спосіб з'єднання пристроїв з виділеними лініями зв'язку, що традиційно застосовувався, і характеризується наступними особливостями:

а) існують окремі, не пов'язані між собою лінії, що поєднують центральну підсистему (ЦП) з локальними системами автоматики ЛА i;

б) технічно легко реалізуються пристрої сполучення УС 1 -УС m локальної автоматики. Центральний пристрій зв'язку УСЦ є набір модулів типу УС i за кількістю ліній або досить складний пристрій мультиплексування каналів передачі інформації;

в) забезпечуються максимальні швидкостіобміну по окремих лініях за достатньо високої продуктивностіобчислювальних пристроїв на рівні ЦП;

г) надійність підсистеми зв'язку значною мірою залежить від надійності та живучості технічних засобів ЦП. Вихід із ладу ЦП фактично руйнує підсистему обміну, оскільки всі потоки інформації замикаються через верхній рівень.

Розподілена система з радіальною структурою є дворівневою системою, де на нижньому рівні в підсистемах реалізуються необхідні функції контролю, регулювання, управління, а на другому - в ЦП, що координує мікроЕОМ (або міні-ЕОМ), крім координації роботи мікроЕОМ-сателітів, здійснює оптимізацію завдань управління ТОУ, розподіл енергії, управляє технологічним процесом загалом, обчислює техніко-економічні показники тощо. Вся база даних у розподіленій системі з радіальною структурою має бути доступною координуючою мікроЕОМ для прикладних програм управління на верхньому рівні. Внаслідок цього координуюча мікроЕОМ працює у режимі реального часу і має керуватися за допомогою мов високого рівня.

На рис.3.5 (б, в) зображені кільцева та шинна топології взаємодії рівнів. Ці структури мають ряд переваг у порівнянні з радіальною:

а) працездатність підсистеми зв'язку, що включає канал і пристрої зв'язку, не залежить від справності технічних засобівна рівнях автоматизації;

б) є ​​можливості підключення додаткових пристроїв та контролю всієї підсистеми за допомогою спеціальних засобів;

в) потрібні значно менші витрати кабельної продукції.

За рахунок обміну інформацією між ЛА i через канал зв'язку та УС («кожен з кожним») з'являється додаткова можливість динамічного перерозподілу функцій координації спільної роботи підсистем ЛА за нижніми рівнями у разі виходу з експлуатації ЦП. Шинна (меншою мірою кільцева) структура забезпечує широкомовний режим обміну між підсистемами, що є важливою перевагою при реалізації групових команд управління. Водночас шинна та кільцева архітектура висуває вже значно вищі вимоги до «інтелекту» пристроїв сполучення, а отже, підвищені одноразові витрати на реалізацію базової мережі.

Порівнюючи кільцеву та шинну топології підсистеми зв'язку, слід зазначити, що організація кільцевої структури менш дорога, ніж шинна. Однак надійність усієї підсистеми з кільцевою системою зв'язку визначається надійністю кожного пристрою сполучення та кожного відрізка ліній зв'язку. Для підвищення живучості потрібне застосування подвійних кілець або додаткових ліній зв'язку з обхідними шляхами. Працездатність фізичного каналу передачі для шинної архітектури з трансформаторною розв'язкою не залежить від справності пристроїв сполучення, однак, як і для кільця, вихід з ладу будь-якого пристрою сполучення в найгіршому випадку призводить до повністю автономної роботи вузла підсистеми, що відмовив, тобто до втрати функції управління від рівня ЦП автоматикою вузла, що відмовив.

Явним способом підвищення живучості всієї системи автоматики у разі відмови механізмів погодження в підсистемі зв'язку є дублювання механізмів погодження у вузлах підсистеми. У кільцевій структурі такий підхід вже мається на увазі при організації подвійних кілець та обхідних шляхів. Якщо надійність безперервного фізичного каналу для нижньої топології не викликає сумніву, то можливе дублювання лише пристроїв сполучення без застосування резервного магістрального кабелю.

Більш дешевим способом підвищення надійності підсистеми зв'язку є використання комбінованих структур, що поєднують у собі переваги радіальних та кільцевих (магістральних) топологій. Для кільця кількість радіальних зв'язків може бути обмежена двома-трьома лініями, реалізація яких дає просте та недороге рішення.

Оцінка таких показників розподілених АСУ ТП, як економічні(Витрати на кабельну продукцію, трасування кабелю, на розробку або придбання мережевих засобів, у тому числі пристрої зв'язку тощо), функціональні(використання групових операцій передачі, інтенсивність обміну, можливість обміну «кожен із кожним»), і навіть показники уніфікації та можливості еволюціїмережі (можливість простого включення додаткових вузлів-абонентів, тенденції до застосування в АСУ ТП) та показники надійності мережі(відмова каналу зв'язку та пристроїв зв'язку або сполучення), дозволяє зробити такі висновки:

а) найбільш перспективною у сенсі розвитку та використання є магістральна організація підсистеми зв'язку;

б) функціональні можливості магістральної топології не поступаються можливостям кільцевої та радіальної;

в) надійні показники магістральної структури досить задовільні;

г) магістральна топологія розподіленої АСУ ТП потребує великих одноразових витрат за створення та використання каналу зв'язку й механізмів сполучення.

Багато в чому завдяки цим особливостям магістральної структури та модульної організації апаратних та програмних засобів сучасних АСУТП магістрально-модульний принциппобудови технічного забезпечення знайшов переважне поширення.

Застосування мікропроцесорів та мікроЕОМ дозволяє ефективно та економно реалізувати принцип функціональної та топологічної децентралізації АСУ ТП. Тим самим можна значно підвищити надійність і живучість системи, скоротити дорогі лінії зв'язку, забезпечити гнучкість функціонування та розширити сферу застосування у народному господарстві комплексів технічних засобів, основним елементом яких є мікроЕОМ або мікропроцесор. У таких розподілених системах управління велике значення набуває стандартизація інтерфейсів, тобто. встановлення та застосування єдиних норм, вимог та правил, що гарантують інформаційне об'єднання технічних засобів у типових структурахАСУ ТП.