Структурная схема асу тп

1. Иерархическая трехуровневая структура АСУ ТП

Чаще всего распределенные АСУ ТП имеют трехуровневую структуру. Пример структурной схемы комплекса технических средств такой системы приведен на рисунке 1.

На верхнем уровне с участием оперативного персонала решаются задачи диспетчеризации процесса, оптимизации режимов, подсчета технико-экономических показателей производства, визуализации и архивирования процесса, диагностики и коррекции программного обеспечения системы. Верхний уровень АСУ ТП реализуется на базе серверов, операторских (рабочих) и инженерных станций.

Нижний (полевой) уровень АСУ ТП обеспечивает сбор данных о параметрах технологического процесса и состояния оборудования, реализует управляющие воздействия. Основными техническими средствами нижнего уровня являются датчики и исполнительные устройства, станции распределенного ввода/вывода, пускатели, концевые выключатели, преобразователи частоты.

Рис.1 Пример структурной схемы распределенной АСУ ТП

2. Уровень ввода/вывода (полевой уровень)

Входные сигналы от датчиков и управляющие воздействия на исполнительные механизмы могут подаваться непосредственно на ПЛК (поступать от ПЛК). Однако если ТОУ имеет значительную территориальную протяженность, это потребует длинных кабельных линий от каждого устройства к ПЛК. Такое техническое решение может оказаться не рациональным по двум причинам:

• высокая стоимость кабельной продукции;
• возрастание уровня электромагнитных помех с ростом длины линий.

Более рациональным в такой ситуации является использование станций распределенной периферии, располагающихся в непосредственной близости к датчикам и исполнительным механизмам. Такие станции содержат необходимые модули ввода и вывода, а также интерфейсные модули для подключения к ПЛК через цифровую полевую шину (например, с использованием протокола Profibus DP, или Modbus RTU).

Цифровая передача всех сигналов осуществляется по одному кабелю с высоким уровнем помехозащищенности. К полевой шине могут непосредственно подключаться также так называемые интеллектуальные датчики и исполнительные устройства (имеющие в своем составе контроллеры и другие блоки, обеспечивающие преобразование сигнала в цифровую форму и реализующие обмен данными через полевую шину).

Упрощенная схема ввода/вывода с использованием станции распределенной периферии приведена на рисунке 2. Полевая шина Profibus DP (Process field bus Distributed Periphery) позволяет соединить до 125 устройств, до 32 на сегмент (ПЛК, станций распределенной периферии, интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств). Станция распределенной периферии состоит из трех основных компонент:

• базовой панели (Baseplate), на которую в специальные слоты устанавливают модули ввода/вывода и интерфейсные модули, или специальной профильной рейки, на которую крепятся модули;
• модулей ввода/вывода (I/O Modules);
• интерфейсных модулей (Interface modules), обеспечивающих обмен данными с ПЛК через цифровую полевую шину.

Рис. 2 Схема ввода/вывода с использованием станции распределенной периферии

Количество слотов под установку модулей может быть различным (чаще всего от 2 до 16). Крайний левый слот обычно используется для установки интерфейсного модуля.

Блок питания может быть установлен на базовой панели или может быть использован отдельный (внешний) блок.

Внутри базовой панели проходят две шины: одна служит для подачи питания на установленные модули; другая — для информационного обмена между модулями.

На рисунке 3 приведено фото узла распределенного ввода/вывода модели 2500 фирмы Eurotherm. На базовой панели расположено 8 модулей ввода/вывода и интерфейсный модуль Profibus DP, блок питания — внешний.

На рисунке 4 приведено фото станции распределенной периферии фирмы Siemens ET 200M.

На базовой панели 6 сигнальных модулей (модулей ввода/вывода) 1 интерфейсный модуль Profibus DP (крайний слева) и блок питания.

• Рис.3 Узел распределенного ввода/вывода фирмы Eurotherm
• Рис.4 Станция распределенной периферии ET200M фирмы Siemens
• 2.1 Сигнальные модули (модули ввода/вывода)
• Модули ввода/вывода бывают 4 типов:
• 1) Сигнальные модули аналогового ввода (AI, analogue input). Они принимают от датчиков, подключенных к его входам, электрические сигналы унифицированного диапазона, например:

• 0-20 или 4-20 mA (токовый сигнал);
• 0-10 V или 0-5 V (потенциальный сигнал);
• сигналы от термопар (TC) измеряются миливольтами;
• сигналы от термосопротивлений (RTD).

Допустим, у нас есть датчик давления с диапазоном измерений 0-6 бар и токовым выходом 4-20 mA. Датчик измеряет давление P, которое в данный момент равно 3 бар. Так как датчик линейно преобразует значение измеряемого давления в токовый сигнал, то на выходе датчика будет:

Вход сигнального модуля AI, настроенный на те же диапазоны (4-20 mA и 0-6 бар), принимает сигнал 12 mA и делает обратное преобразование:

Соответствие диапазона электрического сигнала между входом модуля и выходом подключенного к нему датчика обязательно для корректной работы системы.

2) Сигнальные модули дискретного ввода (DI, discrete input). Принимают от датчиков дискретный электрический сигнал, который может иметь только два значения: или 0 или 24 V (в редких случаях 0 или 220 V).

Вход модуля DI также может реагировать на замыкание/размыкание контакта в подключенной к нему цепи.

К DI обычно подключают датчики контактного типа, кнопки ручного управления, статусные сигналы от систем сигнализации, приводов, позиционирующих устройств и т.д.

Допустим, у нас есть насос. Когда он не работает, его статусный (выходной) контакт разомкнут. Соответствующий дискретный вход сигнального модуля DI находится в состоянии “0”. Как только насос запустили, его статусный контакт замыкается, и напряжение 24 V идет на клеммы входа DI. Модуль, получив напряжение на дискретном входе, переводит его в состояние “1”.

3) Сигнальные модули дискретного вывода (DO, discrete output). В зависимости от внутреннего логического состояния выхода (“1” или “0”) устанавливает на клеммах дискретного выхода напряжение 24 V или 0 V соответственно.

Есть вариант, когда модуль в зависимости от логического состояния выхода просто замыкает или размыкает внутренний контакт (модуль релейного типа).

Модули DO могут управлять приводами, отсечными клапанами, зажигать светосигнальные лампочки, включать звуковую сигнализацию и т.д.

4) Сигнальные модули аналогового вывода (АО, analogue output) используются для подачи токового управляющего сигнала на исполнительные механизмы с аналоговым управляющим сигналом. Допустим, регулирующий клапан с управляющим входом 4-20 mA необходимо открыть на 50 %. В этом случае на соответствующий выход АO, к которому подключен вход клапана, подается ток I вых:

Под действием входного тока 12 mA клапан переходит на 50 % открытия.

Соответствие диапазона электрического сигнала между выходом модуля и входом подключенного к нему исполнительного механизма обязательно.

Модуль ввода/вывода также характеризуются канальностью – числом входов/выходов, а, следовательно, и количеством сигнальных цепей, которые к нему можно подключить. Например, модуль AI4 — это четырехканальный модуль аналогового ввода. К нему можно подключить 4 датчика.

DI16 — модуль дискретного ввода, имеющий шестнадцать каналов. К нему можно подключить 16 статусных сигналов от технологических агрегатов.

В современных системах расположение модулей ввода/вывода на базовой плате строго не регламентировано, и их можно устанавливать в произвольном порядке.

Однако один или несколько слотов, как правило, зарезервированы под установку коммуникационного модуля. Иногда возможна установка сразу двух коммуникационных модулей, работающих параллельно.

Это делается для повышения отказоустойчивости системы ввода/вывода.

Одним их жестких требований, предъявляемых к современным подсистемам ввода/вывода, является возможность “горячей” замены модулей без отключения питания (функция hot swap).

Коммуникационные модули обеспечивают обмен данными между ПЛК, станциями распределенной периферии, интеллектуальными датчиками и исполнительными устройствами. Модули поддерживают один из коммуникационных протоколов:

• Profibus DP;
• Profibus PA;
• Modbus RTU;
• HART;
• CAN и др.

Обмен информацией, как правило, осуществляется с использованием механизма ведущий-ведомый (master-slave). Только ведущее устройство на шине может инициировать обмен данными.

Ведомые устройства пассивно прослушивают все данные, идущие по шине, и только в случае получения запроса от ведущего устройства отправляют обратно ответ. Каждое устройство на шине имеет свой уникальный сетевой адрес, необходимый для однозначной идентификации.

Узлы ввода/вывода, как правило, являются ведомыми устройствами, в то время как контроллеры — ведущими.

Пусть, например, ПЛК с адресом 1 хочет считать показание датчика давления. Датчик подключен к станции распределенной периферии с сетевым адресом 5, к модулю AI, расположенному в слоте 6, входной канал 12.

Тогда ПЛК формирует и отправляет по шине запрос следующего содержания:

Рис. 5 Подключение ПЛК и станций распределенной периферии к полевой шине

Каждый узел прослушивает все запросы на шине. Узел 5 узнает, что запрос адресован ему, считывает показание датчика и формирует ответ в виде следующего сообщения:

Контроллер, получив ответ от ведомого устройства, считывает поле данных с датчика и выполняет соответствующую обработку. Пусть, например, после обработки данных ПЛК вырабатывает управляющий сигнал на открытие клапана на 50 %. Управляющий вход клапана подключен к второму каналу модуля AO, расположенного в слоте 3 узла 7. ПЛК формирует команду следующего содержания:

Узел 7, прослушивая шину, встречает адресованную ему команду. Он записывает уставку 50 % в регистр, соответствующий слоту 3, каналу 2. При этом модуль AO формирует на выходе 2 необходимый электрический сигнал. После чего узел 7 высылает контроллеру подтверждение успешного выполнения команды.

Контроллер получает ответ от узла 7 и считает, что команда выполнена. Это всего лишь упрощенная схема взаимодействия контроллера с узлами ввода/вывода.

В реальных АСУ ТП, наряду с рассмотренными выше, используется множество диагностических, управляющих и сервисных сообщений.

Хотя сам принцип “запрос-ответ” (“команда-подтверждение”), реализованный в большинстве полевых протоколов, остается неизменным.

Напомним еще раз, что наряду с рассмотренной выше схемой ввода/вывода в АСУ ТП могут применяться схемы ввода/вывода через сигнальные модули, установленные непосредственно в слоты (или на профильную рейку) ПЛК (без использования станций распределенной периферии).

2.2 Обработка аналоговых сигналов в процессе ввода в контроллер

Для ввода аналогового сигнала в контроллер и его последующей обработки, он должен быть оцифрован, т.е. преобразован в цифровой код. Процесс обработки сигнала от аналогового датчика до использования в контроллере схематически показан на рисунке 6.

Рис.6 Схема обработки аналогового сигнала при вводе в контроллер

Сигналы от датчиков доводятся до нормированного уровня (4 – 20 mA, 0 – 10 V) нормирующими преобразователями (НП) и проходят этап аналоговой фильтрации. Аналоговые фильтры позволяют устранить высокочастотные шумы, которые могут быть вызваны, например, электромагнитными помехами при передаче сигнала по кабелю.

Необходимо отметить, что сигнал должен быть отфильтрован от высокочастотных шумов до цифровой обработки в контроллере. Это является необходимым условием правильного выбора периода дискретизации при вводе сигнала.

Дело в том, что для адекватного восстановления исходного аналогового сигнала по дискретным данным, частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать наивысшую частоту в спектральном разложении вводимого сигнала (спектральный состав может быть получен в результате разложения сигнала в ряд Фурье). При более низкой частоте дискретизации в восстановленном сигнале появится ложная составляющая (так называемая псевдочастота), которую невозможно детектировать и устранить на этапе цифровой обработки. Наличие высокочастотного шума потребует очень высокой частоты дискретизации (частоты опроса датчика), что будет неоправданно загружать контроллер.

Такая схема позволяет существенно снизить общую стоимость системы ввода за счет применения только одного УВХ и АЦП на все каналы аналогового ввода.

УВХ запоминает мгновенное значение сигнала в момент подключения датчика и удерживает его постоянным на своем выходе на время преобразования в АЦП.

В контроллере введенный цифровой сигнал проверяется на физическую достоверность и, при необходимости, проходит этап цифровой (программной) фильтрации.

Источник: http://www.Teh-Lib.ru/atpip/struktura-raspredeljonnoj-asu-tp/Vse-stranitsy.html

Схемы управления в АСУТП

Наиболеепростойсхемой управления технологическим процессом является схема управления в режимесбора данных . При этом АСУ подсоединяется к технологическому процессуспособом, выбранным инженером-технологом.

Подсоединение осуществляетсяпосредством устройства сопряжения с объектом (УСО). Измеря-емые величиныпреобразуются в цифровую форму. Эти величины по соответст-вующим формулампреобразуются в технические единицы.

Например, для вычис-лениятемпературы, замеряемой с помощьютермопары,можетиспользоватьсяформула T = A * U2 + B * U + C ,гдеU–напряжениенавыходетермопары;A, B и C – коэффициенты.

Результатывычислений регистрируются устройствами вывода АСУТП для последующего изучения технологическогопроцесса в различных условиях его прохождения. На основе этого можно построитьили уточнить математическую модель управляемого процесса.

Данный режим неоказывает прямого воздействия натехнологический процесс. Здесь нашел осторожный подход к внедрению методовуправления в АСУТП. Однако данная схема используется как одна из обязательныхподсхем управления в других более сложных схемах управлениятехнологическимипроцессами.

Управление в режиме советчика оператора

В данной схеме АСУТП работаетв темпе выполнения технологического процесса. Контур управления разомкнут, т.е.выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими технологическими процессами.Управляющие воздействия осуществляются оператором-технологом,получающимрекомендацииотЭВМ.

Все необходимыеуправляющие воздействия вычисляются ЭВМ всоответствии с моделью технологического процесса, результаты вычисленийпредоставляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее).Оператор управляет процессом, изменяя установки регуляторов.

Регуляторыявляются средствами поддержания оптимального управления технологическимпроцессом. Оператор выполняет роль следящего и управляющего звена, усилиякоторого АСУТП непрерывно и безошибочно направляетнаоптимизацию выполнения технологическогопроцесса.

Основнойнедостаток этой схемы управления заключается в присутствиичеловека в цепи управления. При большом числевходных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-заограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этоготипа имеет и преимущества.

Оно удовлетворяет требованиям осторожного подхода кновым методам управления.

Режим советчика обеспечивает хорошие возможности дляпроверки новых моделей технологических процессов. АСУТП может отслеживатьвозникновение аварийных ситуаций, так чтооператор имеет возможность уделять больше внимания работе с установками, приэтом АСУТП может следить забольшимчисломаварийныхситуаций,чемоператор.

Супервизорноеуправление

В этой схеме АСУТП используется в замкнутомконтуре, т.е.установкирегуляторамзадаютсянепосредственносистемой.

Задачейрежима супервизорного управления является поддержание технологическогопроцесса вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия нанего.

В этомодноизглавныхпреимуществ данного режима.

Даннаясхема отличается от схемы режима советчикаоператора тем, что после вычислениязначений уставок, последние преобразуются в величины, которые можноиспользовать для изменения настроек регуляторов.

Если регуляторывоспринимают напряжения, то величины вырабатываемые ЭВМ, должны бытьпреобразованы в двоичные коды, которые далее с помощью цифро-аналоговыхпреобразователей преобразуются в напряжения соответствующего уровня и знака.Оптимизация технологического процесса в этом режиме выполняется периодически,например, один раз в день. Для этогооператор должен ввести новые коэффициенты в уравнения контуровуправления.

Приведем примеры АСУТП, работающиевсупервизорномрежиме.

1. Управлениеавтоматизированной транспортно-складской системой. В такой системе ЭВМ выдаетадреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелёров отрабатываетперемещение их в соответствии с этими адресами.
2. Управлениеплавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок для управления режимамиработы электрических печей, а локальная автоматика по командам ЭВМ управляетпереключателями трансформаторов.
3. Станки с числовымпрограммным управлением.

Непосредственное цифровое управление

В режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) сигналы,используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают из АСУТП,а регуляторы вообще исключаются из системы управления.

Регуляторы – этоаналоговые вычислители, которые решают одноуравнение в реальном масштабе времени, например такого вида:где y может обозначать положениеклапана; k0, k1, k2, k3 – параметры настройки,благодаря которым регулятор можно настроить на работу в различных режимах;X — разность междуизмеряемой величиной и уставкой. Если X не =0, то для выведения процесса на заданный режим требуетсяперемещение управляющего органа.

Если регуляториспользует для своей работы два первых члена уравнения, то он называется пропорциональным.Если используются три первых члена, то регулятор — пропорционально-интегральный,и если — все члены уравнения, то регулятор — пропорционально-интегрально-дифференциальный.

Концепция НЦУпозволяет заменить регуляторы с задаваемой уставкой. Рассчитываются реальныевоздействия, которые в виде соответствующих сигналов передаются непосредственнона управляющие органы. Схема НЦУ показана на рисунке:

• Введены обозначения:УО – управляемый объект
• Д – датчик.

Уставкивводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса.

Оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторыеизбранные переменные, изменять диапазоны допустимого изменения измеряемыхпеременных, изменять параметры настройки, а также должен иметь доступ куправляющей программе.

Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается ввозможности изменения алгоритмов управления путем внесенияизменений в управляющую программу. Основнойнедостаток схемы непосредственного цифрового управления – возможность отказавсей системы при отказе ЭВМ.

Источник: https://automation-system.ru/main/11-asutp/asu-tp/47-42-sxemy-upravleniya-v-asutp.html?showall=1

Тема №8 — СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Тема

8

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Схемы структурные определяют основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи и служат для общего ознакомления с изделием. На структурной схеме раскрывается не принцип работы отдельных функциональных частей изделия, а только взаимодействие между ними. Поэтому составные части изделия изображают упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы.

Допускается применять условные графические обозначения.

1. Структура систем управления

При разработке проекта автоматизации в первую очередь необходимо решить, с каких мест те или иные участки объекта будут управляться, где будут размещаться пункты управления, операторские помещения, какова должна быть взаимосвязь между ними, т. е.

необходимо решить вопросы выбора структуры управления. Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними.

Графическое изображение структуры управления называется структурной схемой.

Хотя исходные данные для выбора структуры управления и ее иерархии с той или иной степенью детализации оговариваются заказчиком при выдаче задания на проектирование, полная структура управления должна разрабатываться проектной организацией.

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность его работы, снижение относительной стоимости системы управления, ее надежности, ремонтоспособности и т.д.

В самом общем виде структурная схема системы автоматизации представлена на рис. 8.1. Система автоматизации состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом.

Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и системой управления система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующийся параметрами х1, х2, …, хn.

Рис. 8.1. Структурная схема системы автоматизации

К этим параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие целесообразный конечный продукт технологического процесса, отдельные параметры, определяющие ход технологического процесса, его экономичность, обеспечение безаварийного режима и т.д.

Кроме этих основных параметров, работа комплексного объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных параметров y1, y2,…

yi, которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными).

К такого рода параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие работу установок подготовки технологического пара, насосных станций оборотного водоснабжения и т. д.

От этих установок требуется только подача на вход технологической установки сырья и энергоносителей с заданными параметрами. При этом необходимая дозировка подачи сырья и энергоносителей осуществляется средствами управления, относящимися к технологической установке.

В процессе работы на объект поступают возмущающие воздействия f1, f2,… fi, вызывающие отклонения параметров x1, х2, …, хn от их требуемых значений. Информация о текущих значениях x1, х2,…, хn, у1, у2, …

, yi поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значениями g1, g2,…

, gk, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воздействия E1, E2,…, Em для компенсации отклонений выходных параметров.

В свою очередь, система управления в зависимости от важности регулируемых параметров, круга работников эксплуатационного персонала, которым необходимо знать их значения для осуществления оптимального управления объектом, в общем случае должна обеспечивать разные уровни управления объектом автоматизации, т. е. должна состоять из нескольких пунктов управления, в той или иной степени взаимосвязанных друг с другом.

С учетом изложенного структуры управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрализованными и многоуровневыми.

Одноуровневые системы управления, в которых управление объектом осуществляется с одного пункта управления, называются централизованными.

Одноуровневые системы, в которых отдельные части сложного объекта управляются из самостоятельных пунктов управления, называются децентрализованными.

Структурные схемы одноуровневых централизованных и децентрализованных систем приведены на рис.8.

2, на котором стрелками показаны только основные потоки передачи информации от объекта управления к системе управления и управляющие воздействия системы на объект управления. На рис.8.

Одноуровневые централизованные системы применяются в основном для управления относительно несложными объектами или объектами, расположенными на небольшой территории. Большинство промышленных объектов в настоящее время представляет собой сложные комплексы, отдельные части которых расположены на значительном расстоянии друг от друга.

Рис. 8.2. Примеры одноуровневых систем управления

Рис. 8.3. Пример трехуровневой системы управления: I — III — уровни управления

Кроме основных технологических установок, объекты имеют большое число вспомогательных установок-подобъектов (промышленные котельные, компрессорные, насосные станции оборотного водоснабжения, котлы-утилизаторы, очистные сооружения и т.п.), которые необходимы для обеспечения технологических установок всеми видами энергии, а также для утилизации и нейтрализации остаточных продуктов технологического процесса.

Если управление такого комплексного объекта построить по одноуровневой централизованной системе, то намного усложнятся коммуникации системы управления, резко возрастут затраты на ее сооружения и эксплуатацию, центральный пункт управления получится громоздким.

Переработка информации, большая часть которой является ненужной для непосредственного ведения технологического процесса, представляет большие затруднения. Удаленность пункта управления от того или иного вспомогательного подобъекта затрудняет принятие оперативных мер по устранению тех или иных неполадок.

В этом случае более приемлемой становится одноуровневая децентрализованная система управления.

Однако с помощью одноуровневых систем не всегда представляется возможным оптимально решить вопросы управления технологическими процессами. Это в первую очередь относится к сложным технологическим процессам. Тогда целесообразно переходить к многоуровневым системам управления. В качестве примера на рис.8.

3 представлена трехуровневая система управления сложным объектом с разветвленными технологическими связями между установками. Отдельные технологические установки управляются децентрализованно с пунктов управления 1 — 7. Это первый уровень управления.

С пунктов 1 — 7 соответственно управляются объекты, имеющие существенную технологическую взаимосвязь. В связи с этим наиболее ответственные регулируемые параметры установок передаются на пункты управления 8 — 10 второго уровня управления.

Основные параметры, определяющие технологический процесс объекта в целом, могут управляться и контролироваться с пункта управления 11 третьего уровня.

Для первого уровня при проектировании целесообразно предусматривать три режима управления:

• командами, поступающими от уровня более высокого ранга;
• командами, формирующимися непосредственно на первом уровне;
• командами, поступающими как с уровня более высокого ранга, так и формирующимися непосредственно на первом уровне.

Для уровня второго ранга и выше возможны четыре режима работы:

• аппаратура данного i-го ранга принимает и реализует в управляющие воздействия команды (i + 1)-го ранга;
• команды формируются непосредственно на аппаратуре i-го ранга;
• все функции управления с i-го ранга передаются на аппаратуру (i — 1)-го ранга;
• часть команд на аппаратуру i-го ранга поступает с (i + 1)-го ранга, часть команд формируется на i-м ранге, часть функций управления передана на аппаратуру (i- 1)-го ранга.

• Аппаратура i-го ранга соответственно должна иметь переключатели режимов на три положения с четкой сигнализацией положений.
• Перевод аппаратуры с режима 1 на режим 2 осуществляется по команде или с разрешения оператора системы вышестоящего ранга.
• Передача функций управления тем или иным параметром на нижестоящий ранг осуществляется только после приема команды о передаче и подтверждения оператора системы нижестоящего ранга о готовности к принятию на себя тех или иных функций управления (формирования команд).

Многоуровневая структура системы управления обеспечивает ее надежность, оперативность, ремонтопригодность. При этом легко решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количеством средств технологического контроля, управления и линий связи между ними.

АСУ ТП классифицируются на уровни классов 1, 2 и 3. К классу 1 (АСУ ТП нижнего уровня) относятся АСУ ТП, управляющие агрегатами, установками, участками производства, не имеющие в своем составе других АСУ ТП.

К классу 2 (АСУ ТП верхнего уровня) относятся АСУ ТП, управляющие группами установок, цехами, производствами, в которых отдельные агрегаты (установки) имеют свои локальные системы управления, не оснащенные АСУ ТП класса 1.

Построение систем автоматизации по уровням управления определяется как требованиями снижения трудозатрат на их реализацию, так и целями (критериями) управления технологическими объектами.

Система автоматизации структурно может быть представлена по-разному.

В общем случае любая система может быть представлена конструктивной, функциональной или алгоритмической структурой. В конструктивной структуре системы каждая ее часть представляет собой самостоятельное конструктивное целое. Примерами изображения конструктивных структурных схем системы автоматизации могут служить рис.8.1 — 8.3.

1. В функциональной структуре каждая часть предназначена для выполнения определенной функции, в алгоритмической — для выполнения определенного алгоритма преобразования входной величины, являющегося частью алгоритма функционирования системы в целом.
2. В проектах автоматизации изображают конструктивные структурные схемы с элементами функциональных признаков.
3. Полные сведения о функциональной структуре с указанием локальных контуров регулирования, каналов управления и технологического контроля приводятся в функциональных схемах.
4. Алгоритмические структурные схемы по контурам регулирования крайне необходимы при производстве наладочных работ систем автоматизации.
5. 2. Выполнение структурных схем автоматизации (схем функциональной структуры)

Структурные схемы автоматизации в проектах автоматизации рекомендуется разрабатывать в соответствии с ГОСТ 24.302-80. Система технической документации на АСУ. Общие требования к выполнению схем (п. 2.1, 2.2, 2.6).

Источник: http://ani-studio.narod.ru/BOX/Flash/Study/Automation/HTML-Themes/Theme8.htm

Описание структурной схемы АСУТП

• АСУТП ПХГ разработана па базе программно-технического комплекса PACSystems Rx7i и Rx3i фирмы GE Intelligent Platforms.
• АСУТП ПХГ построена по иерархическому принципу и включает в себя два взаимосвязанных между собой уровня управления:
• — верхний уровень — уровень оперативно-производственной службы (ОПС); в составе которой осуществляется оперативное управление технологическими процессами (оперативный персонал);
• — средний уровень – уровень систем автоматического управления;
• — нижний уровень — то уровень датчиков, измерительных устройств, контролирующих управляемые параметры, а также исполнительных устройств, воздействующих на эти параметры процесса.
• На уровне САУ осуществляется управление работой конкретного технологического оборудования для поддержания хода технологического процесса в заданных границах в обычном режиме, сигнализация неисправностей и зашита оборудования в предаварийных ситуациях, связь с уровнем OIIC.
• В состав оборудования уровня САУ АСУТП СП-3 ПХГ входят следующие средства: резервированные ПЛК и системы ввода-вывода.
• На уровне ОПС выполняется оперативный контроль текущего состояния и режимов функционирования объектов системы управления технологическими процессами, дистанционное управление технологическим оборудованием.
• Оборудование уровня ОПС включает в себя:
• — коммуникационное оборудование;
• — автоматизированные рабочие места (АРМ);
• — резервированный архивный сервер:
• — резервированный SCADA сервер АСУ ТП;
• — пульт ЭО;
• — принтер отчетов.

В составе АСУТП ПХГ так же предусмотрена система экстренного останова). Запуск алгоритмов аварийного останова осуществляется как вручную оператором с пульта экстренного останова (ПЭО), который расположен на пульте управления, так и по датчикам контроля технологического процесса, пожара и загазованности.

1. При запуске ЭО осуществляется выдача сигнала в РСУ и на пульт оператора «ПЭО».
2. В целом АСУТП должна выполнять:
3. — оптимизацию работы скважин путем расчета и выдачи предложений оператору о необходимом количестве и номерах скважин, включаемых в работу, а так же величину открытия клапана-регулятора (КРЭ) в зависимости от требуемого расхода и архивной характеристики скважин;

• -автоматическое поддержание заданного расхода газа в целом по ПХГ в режиме «Отбор», путем взаимодействия на КРЭ;
• — учет газа при «отборе» и «закачке» по каждому шлейфу;
• — контроль давления и температуры каждой скважины;
• — контроль жидкости по каждому шлейфу;
• — дистанционное и автоматическое управление КРЭ на шлейфах;
• — архивирование событий и данных по расходу газа, давлению при отборе и закачке, температурам со всех датчиков, положения кранов;
• — отображение на АРМ оператора показателей аналоговых датчиков и положения кранов, положения штуцеров;
• — отображение предупредительной и аварийной сигнализации на экране АРМ оператора в случае аварийных и нештатных ситуаций, ложной перестановки кранов, а также при отказах датчиков, исполнительных механизмов, цепей управления и элементов АСУ ТП;
• — автоматический впрыск метанола по каждой скважине в зависимости от расхода газа и условий гидратообразования;
• — выдачу информации оператору о возможности загидрачивания КРЭ по информации об уменьшении температуры и увеличении давления, автоматическое увеличение объема впрыска метанола для снятия условий гидратообразования, а также выдача информации для регулирования дебита скважин исходя из указанных условий.
• Функции верхнего уровня:
• — Оперативный контроль хода технологического процесса;
• — Дистанционное управление и регулирование
• — Ведение «оперативного диспетчерского журнала»;
• — Документирование хода технологического процесса;
• — Сбор и сведение показателей по расходу и качеству газа;
• — Мониторинг технического состояния технологического оборудования и программно-технических средств АСУТП;

1. — Обмен информацией со смежными системами (ИУС КМК ПХГ, АСПС,КЗиПТ).
2. Функции среднего уровня:
3. — Сбор и обработка информации», поступающей от датчиков и исполнительных механизмов, напрямую подключаемых к АСУ ТП;
4. — Диагностика программных и технических средств и коммуникационного оборудования;
5. — Комплексное регулирование режимов работы ПХГ;
6. — Регулирование» технологических параметров управляемых непосредственно от АСУ ТП;
7. — Дистанционное управление ИМ;
8. — Противоаварийная защита технологических объектов.
9. АСУТП рассчитана на непрерывную работу в круглосуточном режиме и должна обеспечивать следующие режимы функционирования:
10. — автоматический;
11. — автоматизированный с дистанционным централизованным контролем и управлением;
12. — ручной.
13. Уровень контроля и автоматизации ПХГ обеспечивает ее безаварийную работу без постоянного присутствия обслуживающего персонала непосредственно у технологического оборудования.

В автоматическом режиме система работает без вмешательства оперативного персонала по заданным алгоритмам. На АРМах оператора доступны функции просмотра информации.

В автоматизированном режиме выполняются все те же функции, что и в автоматическом. Кроме того, оператор имеет возможность дистанционно управлять исполнительными механизмами с учетом необходимых технологических блокировок.

• Переход с автоматического режима в автоматизированный происходит без потери информации.
• Предусмотрена возможность выбора режима управления индивидуально для каждого исполнительного механизма.
• В автоматическом и автоматизированном режимах управления доступно ручное управление исполнительными механизмами от кнопок по месту (режим наладки, проверки, ремонта).
• В процессе функционирования АСУТП возможны следующие режимы:
• — режим нормального функционирования, характеризуемый полной готовностью всего ПТК;
• — пусковой режим, характеризуемый инициализацией КТС АСУТП и загрузкой прикладного программного обеспечения, как на серверах, рабочих станциях, так и в управляющих процессорах. Этот режим имеет место при запуске или перезапуске системы;
• — остановочный режим характеризуется полной остановкой работы системы, отключением электропитания КТС АСУТП и переводом технологического объекта на ручное управление;
• — режим частичного отказа КТС, характеризуемый тем, что в работу вводятся резервы КТС, обеспечивающие выполнение всего предусмотренного техническим процессом объема функций, либо это отказ части функций, не влекущий за собой опасности возникновения аварийной ситуации на объекте.
• Режим частичного отказа КТС возникает:

— при отказе основного оборудования АСУТП при наличии резервного. При этом работа АСУТП не нарушается за счет автоматического переключения с вышедшего из строя оборудования на резервное. В этом случае необходимо заменить вышедшие из строя устройства на идентичные;

— при отказе АРМа оператора. В данном случае прекращается выполнение функций дистанционного управления и визуализации информации с отказавшей станции.

Архивирование информации и передача данных продолжает выполняться серверами. Обеспечивается автономная работа оборудования уровня САУ в автоматическом режиме;

— при отказе АРМа оператора. Прекращается выполнение функций данной станции: конфигурирование, настройка ПО. Остальные функции системы выполняются без изменений.

— при отказе основного и резервного сервера. В данном случае прекращается выполнение информационно-вычислительных функций сервера и передача данных на верхний уровень, отсутствует возможность дистанционного управления и визуализации информации. Обеспечивается автономная работа оборудования уровня САУ в автоматическом режиме;

— при отказе основного и резервного архивного сервера. Прекращается выполнение функции архивирования технологических и системных данных. Остальные функции системы выполняются без изменений.

— при отказе коммутаторов уровня ОПС. Прекращается передача данных на верхний уровень, выполнение функции вывода на печать, теряется связь между серверами и рабочими станциями и прекращается выполнение функции дистанционного управления и визуализации информации. Обеспечивается автономная работа оборудования уровня САУ в автоматическом режиме;

— при отказе коммутаторов уровня САУ. Теряется связь уровня ОПС с узлом сети уровня САУ, подключенным к отказавшим коммутаторам. Обеспечивается автономная работа оборудования отсоединившегося узла уровня САУ в автоматическом режиме;

— при отказе модуля ввода/вывода. В подобной ситуации теряется связь с датчиком или исполнительным механизмом до момента восстановления работоспособности модуля. Отказ модуля ввода/вывода не приводит к использованию недостоверной информации для функций контроля и управления.

1. АСУ ТП обеспечивает диагностику, как технологического оборудования, так и своих программно-технических средств.
2. К диагностике технологического оборудования относится:
3. — определение неисправности задвижки, клапана, насоса при отказе в управлении (за отведенное время не происходит переход в ожидаемое состояние — невыполнение пуска, стопа, закрытия, открытия);
4. — получение диагностической информации от средств внутренней диагностики технологического узла (дискретные сигналы, MODBUS и HART-протоколы).
5. К диагностике программно-технических средств относится:
6. — определение исправности датчиков и их линий связи (контроль на обрыв и короткое замыкание, расширенная диагностика по HART-протоколу);

— системные сообщения от ПЛК (код ошибок в т.ч. программной, локализация отказа до уровня модуля);

• — сигналы от датчиков вскрытия шкафа;
• — сигналы от блоков питания внутри шкафа («в работе», «отказ»);
• — диагностическая информацию от ИБП (режим работы, нагрузка, напряжение);
• — служебные сигналы от коммутаторов сети передачи данных;

— режимы работы серверного оборудования (основной, резервный, остановлен и т.п.).

1. Диагностика осуществляется непрерывно в автоматическом режиме.
2. Информация о работоспособности отображается в виде:
3. — индикаторов, встроенных в технические средства;
4. — сообщений, отображаемых на операторных станциях.
5. В алгоритмах управления исключено влияние неисправностей КТС на ход технологического процесса.
6. Структурная схема АСУ ТП контроля и управления блоком газосепаратора замерного показана в приложении Б.

Рекомендуемые страницы:

Источник: https://lektsia.com/8x57bf.html

Структура и технические средства АСУ ТП — Информационный блог

Типовая структура современной АСУ ТП (рис. 1.10) включает четыре уровня.

На уровне 0 аналоговый интерфейс 4-20 мА (0-5 мА) заменяется коммуникационной технологией, объединяющей датчики, исполнительные механизмы и контроллеры в единую цифровую сеть – Fieldbus (полевая ши­на или промышленная сеть). Это позволяет большое количество 2-, 3-, 4-проводных линий связи, идущих от множества датчиков и исполнитель­ных механизмов
к каналам ввода-вывода контроллеров, заменить на один «малопроводной» кабель.

К приборам уровня 0 по этому кабелю передает­ся также электропитание. Все это дает серьезный ценовой выигрыш.

Кро­ме того, каждое устройство уровня 0 оснащается самостоятельным вычис­лительным ресурсом и может выполнять функции управления, самона­стройки и самодиагностики, что упрощает обслуживание контрольно-измерительных приборов (КИП) и снижает нагрузку на управляющие вы­числительные устройства верхних уровней, делает систему более распре­деленной. В настоящее время отсутствует единый международный стан­дарт для сетей Fieldbus. Наиболее популярными являются два протокола обмена: в Европе – протокол, разработанный фирмой Siemens – Profibus в различных его модификациях, в США – Foundation  Fieldbus. В качестве протокола для сетей на основе простого последовательного порта обще­признан Modbus, разработанный американской фирмой MODICON.

На уровне 1 находятся устройства связи с объектом, которые прини­мают, выдают на объект группу аналоговых и дискретных сигналов, а так­же имеют связь через различные адаптеры
с Fieldbus, котроллерами и ком­пьютерами.

Устройства уровня 1 являются безынициативными, работают под управлением контроллеров или компьютеров и располагаются вблизи с объектом управления. Использование этих УСО снижает затраты на монтаж и кабельную продукцию.

На уровне 2 находятся контроллеры РLС (Рrоgrammable Logic Controllers) и SoftPLC. Контроллеры типа SoftPLC (свободно программи­руемые контроллеры) имеют IВМ РС совместимую архитектуру. Про­грамма в виде ЕХЕ-файла загружается в SoftPLC  компьютера.

Для про­граммирования PLC и SoftPLC Международный электротехнический ко­митет (МЭК) принял стандарт
IEС 1131-3, который описывает пять языков программирования – графических: релейных диаграмм (Ladder Diagrams – LD), функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagram – FBD), последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart – SPC­); текстовых: список инструкций (Instruction List – IL), структурированный текст (Structured Text – ST). Связь между контроллерами и станциями управления верхнего уровня осуществляется по сети Ethernet, выполнен­ной в промышленном варианте (Industrial Ethernet).

Индустриальные ком­пьютеры представляют собой, как правило, программно совместимые с обычными РС машины, но адаптированные для жестких условий эксплуата­ции на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.д.

В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные сис­темы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения.

Для объектов управления, имеющих небольшое число входов-выходов, не­высокие требования по надежности и по обеспечению режима реального времени, подход РС—based Control с экономической точки зрения предпочти­телен, так как уменьшаются затраты на аппаратные средства.

На уровне 3 располагаются станции в виде IBM РС совместимых промышленных компьютеров, которые обеспечивают диспетчеризацию технологического процесса и реализуют принцип беcщитовой автоматики.

Доминирующей операционной системой для АСУ ТП верхнего уров­ня является Windows NT.

Стандартным механизмом взаимодействия про­граммного обеспечения АСУ ТП признан стандарт ОРС (OLE for Process Control), который основан на объектной модели СОМ/DСОМ фирмы Microsoft.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая интегра­ция и унификация технических решений. Фирмы-разработчики сосредота­чивают свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, заимст­вуя лучшие мировые достижения в остальных областях, становясь тем са­мым системными интеграторами.

Архитектура IBМ РС занимает ведущее место в области автоматизации.

Наметившийся в последнее время подъем отечественной промыш­ленности дает шанс оснащать российские предприятия самыми современ­ными компьютерными индустриальными технологиями, перешагнув эта­пы, которые проходило и на которых остановилось большинство западных предприятий.

Вне зависимости от характеристик объекта управления, будь то отдельные агрега­ты или многопрофильные производства, структура комплекса технических средств системы управ­ления предполагает наличие: первичных средств автоматизации (интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств – так называемый нулевой или полевой уровень системы); устройств первого уровня (преобразователей аналоговых и дискретных сигналов ввода-вывода); устройств второго уровня (контроллеров и промышленных компьютеров); устройств третьего уровня АСУ ТП (рабочие станции, серверы и др.) и устройств четвертого уровня системы управления (локальные вычислительные сети с персональными компьютерами).

Полевой уровень АСУ ТП включает в себя первичные преобразователи или датчики сигналов измерительной информации, исполнительные устройства различных типов и назначений. На отечественных предприятиях большинство датчиков и исполнительных устройств для передачи и приема данных используют аналоговые или дискретные унифицированные сигналы.

Однако они постепенно вытесняются интеллектуальными устройствами, в которых, наряду с основными функциями, осуществляется преобразование сигналов из аналоговой (дискретной, импульсной)
в цифровую форму и для исполнительных устройств обратное преобразование.

Для передачи измерительной и командной информации на этом уровне ис­пользуются HART-протокол (токовая петля 4…20 мА), AS-интерфейс, RS-232, RS-485.

Многие интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы для передачи и приема информации в цифровом виде используют полевую шину (fieldbus), представляющую, как правило, двухпроводную линию связи (витая пара, оптоволокно) с одновременной передачей по шине питания и информационного сигнала.

К чис­лу таких промышленных сетей, объединяющих датчики, исполнительные механиз­мы, контроллеры и рабочие станции, относятся Foundation Fieldbus, Profibus DP и Interbus (по стандарту RS-485),
DeviceNet (физическая среда 4-проводный кабель), Profibus PA и др. На верхнем уровне используются сети Ethernet, ArcNet, Token Ring и др.

УСО осуществляют преобразование сигналов, их первичную обработку и выдачу управляющих воздействий на исполнительные устройства. Каждый модуль УСО представляет собой функционально законченное устройство, имеющее унифицированную конструкцию, интерфейс и питание.

В тех случаях, когда промышленные контроллеры включают в себя модули УСО, в АСУ ТП первый уровень управления не выделяется.

На втором уровне АСУ ТП располагаются программируемые логические контроллеры (ПЛК). Выбор типа контроллера для системы управления, с помощью критерия цена/произво-дительность, определяется их особенностями. Это могут быть моноблоч­ные, модульные или встраиваемые контроллеры.

Среди основных характеристик – производительность, максимальное число каналов ввода-вывода переменных, ком­муникационные возможности (наличие требуемых пользователю портов), надеж­ность, удобство интерфейса, цена, область распространения и др.

При оценке кон­троллеров немаловажное значение имеют отдельные его компоненты.

Прежде всего в процессорном модуле оцениваются характеристики процессора, объем памяти, поддержка ОС, стандарт шины расширения, наличие сторожевого таймера, портов, поддерж­ка определенных сетей, гальваническая изоляция, индикация состояния, рабочая температура, напряжение питания и др.

Иногда на втором уровне управления могут использоваться промышленные компьютеры (ПК). Они позволяют сосре­доточить функции управления и визуализации в одном месте, используя встраива­емые системы – платы УСО, памяти, коммуникационные модули и т.д. Промышленные компьютеры, выпускаемые рядом фирм (Advantech, Axiom, Portwell и др.

), удовлетворяют самым жестким условиям эксплуатации: со степенью защиты лицевой панели IP65, диапазон рабочих температур от 0 до 50 °С. Стандартные операционные системы (ОС) позволяют использовать инструментальные средства разработки прикладного программного обеспечения (ПО) раз­личных фирм.

Наличие коммуникационных портов ввода-вывода, механизма взаи­модействия ОРС позволяет ПК взаимодействовать с любым оборудованием – от ПЛК до любых рабочих станций.

ПЛК обладают повышенной надежностью, высоким быстродействием (0,9 мкс и менее на базовую команду), малыми габаритами, воз­можностью «горячей» замены модулей (замена модулей без выключения питания) и т.д. К их дополнительным возможностям относятся: наличие сторожевого таймера, самодиагностика, режим автонастройки параметров регулятора.

Программи­рование контроллеров осуществляется в зависимости от задачи и типа контроллера на различных языках программирования по стандарту
IEC 61131-3.

Широко при­меняется программный пакет ISaGRAF, как интегрированный пакет разработки и отладки приложений для ПЛК и связи с ПО верхнего уровня, а также система Otralogic для программирования контроллеров на языке FBD по стандарту IEC 61131-3.

На третьем (диспетчерском) уровне управления располагаются рабочие станции, серверы и другое оборудование. По сравнению с традиционными операторскими пультами, рабочие станции, безусловно, являются шагом вперед по мощности, производительности и разрешающей способности.

Рабочие станции являются сбалансированным решением для создания автоматизированного рабочего места оператора или диспетчера. Они обеспечивают компромисс между производительностью и устойчивостью к воздействиям внешней среды.

В тех случаях, когда внешние воздействия находятся в пределах, позволяющих использовать обычные персональные компьютеры, автоматизированные рабочие места операторов (диспетчеров) создаются на базе ПК. Зачастую роль сервера в АСУ ТП достается одному из ПК, однако в большинстве случаев такое решение неверно.

Стандартный промышленный компьютер не может полностью выполнить функцию промышленного сервера, так как у него для этих целей не хватит ни вычислительной мощности, ни надежности, ни функциональности. Главное назначение сервера – обеспечение работы ресурсоемких приложений, сбои в работе которых могут привести к тяжелым последствиям.

На четвертом (бизнес) уровне используются локальные вычислительные сети с обычными персональными компьютерами
и стандартным коммуникационным оборудованием.

Источник: https://ara5.ru/1777