Классификация устройство основных видов штатных средств автоматизации. Технические средства автоматизации производства. Программируемые системы автоматизации

Вопрос 1 Основные понятия и определения САиУ

Автоматизация - одно из направлений научно-технического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Автоматизация позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции, оптимизировать процессы управления, отстранить человека от производств, опасных для здоровья. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи. В состав систем автоматизации входят датчики (сенсоров), устройства ввода, управляющие устройства (контроллеры), исполнительные устройства, устройства вывода, компьютеры. Применяемые методы вычислений иногда копируют нервные и мыслительные функции человека. Весь этот комплекс средств обычно называют системами автоматизации и управления .

В основе всех систем автоматизации и управления лежат такие понятия как объект управления, устройство связи с объектом управления, контроль и регуляция технологических параметров, измерение и преобразование сигналов.

Под объектом управления понимается технологический аппарат или их совокупность, в которых осуществляются (или с помощью которых осуществляются) типовые технологические операции смешения, разделения или их взаимное сочетание с простыми операциями. Такой технологический аппарат вместе с технологическим процессом, который в нем протекает и для которого разрабатывают систему автоматического управления и называют объектом управления или объектом автоматизации. Из совокупности входных и выходных величин управляемого объекта можно выделить управляемые величины, управляющие и возмущающие воздействия и помехи. Управляемой величиной является выходная физическая величина или параметр управляемого объекта, которая в процессе функционирования объекта должна поддерживаться на определённом заданном уровне или изменяться по заданному закону. Управляющим воздействием является материальный или энергетический входной поток, изменяя который, можно поддерживать управляемую величину на заданном уровне либо изменять её по заданному закону. Автоматическим устройством или регулятором называют техническое устройство, позволяющее без участия человека, поддерживать величину технологического параметра или менять её по заданному закону. Автоматическое управляющее устройство включает в себя комплекс технических средств, выполняющих в системе определённые функции.В состав автоматической системы регулирования входят: Чувствительный элемент или датчик , служащий для преобразования выходной величины управляемого объекта в пропорциональный электрический или пневматический сигнал, Элемент сравнения - для определения величины рассогласования между текущим и заданным значениями выходной величины. Задающий элемент служит для задания величины технологического параметра, которую необходимо поддерживать на постоянном уровне. Усилительно-преобразующий элемент служит для выработки регулирующего воздействия в зависимости от величины и знака рассогласования за счёт внешнего источника энергии. Исполнительный элемент служит для реализации регулирующего воздействия. выработанного УПЭ. Регулирующий элемент – для изменения материального или энергетического потока с целью поддержания выходной величины на заданном уровне. В практике автоматизации производственных процессов автоматические системы регулирования комплектуются типовыми общепромышленными приборами, выполняющими функции вышеперечисленных элементов. Основным элементом таких систем является вычислительная машина, получающая информацию от аналоговых и дискретных датчиков технологических параметров. Эта же информация может поступать на аналоговые или цифровые устройства представления информации(вторичные приборы). Оператор-технолог обращается к этой машине с помощью пульта для ввода информации, не получаемой от автоматических датчиков, запроса необходимой информации и советов по управлению процессом. Работа САиУ базируется на основе получения и обработки информации.

Основные виды систем автоматизации и управления:

· автоматизированная система планирования (АСП),

· автоматизированная система научных исследований (АСНИ),

· система автоматизированного проектирования (САПР),

· автоматизированный экспериментальный комплекс (АЭК),

· гибкое автоматизированное производство (ГАП) и автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП),

· автоматизированная система управления эксплуатацией (АСУ)

· система автоматического управления(САУ).

Вопрос 2 Состав технических средств автоматизации и управления САиУ.

Технические средства автоматизации и управления - это устройства и приборы, которые могут как сами являться средствами автоматизации, так и входить в состав программно-аппаратного комплекса.

Типовые средства автоматизации и управления могут быть техническими, аппаратными, программно-техническими и общесистемными.

К техническим средствам автоматизации и управления относят:

− датчики;

− исполнительные механизмы;

− регулирующие органы (РО);

− линии связи;

− вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);

− устройства аналогового и цифрового регулирования;

− программно-задающие блоки;

− устройства логико-командного управления;

− модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объектауправления (ТОУ);

− модули гальванической развязки и нормализации сигналов;

− преобразователи сигналов из одной формы в другую;

−модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;

− буферные запоминающие устройства;

− программируемые таймеры;

−специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.

Технические средства автоматизации и управления можно систематизировать следующим образом:

СУ – система управления.
ЗУ – Задающее устройство (кнопки, экраны, тумблеры).

УОИ – Устройство отображения информации.
УОИ – Устройство переработки информации.

УсПУ – Преобразовательное / Усилительное устройство.
КС – Канал связи.
ОУ – Объект управления.
ИМ – Исполнительные механизмы.

РО – Рабочие органы (Манипуляторы).

Д – Датчики.
ВП – Вторичные преобразователи.

По функциональному назначению их делят на следующие 5 групп:

Входные устройства. К ним относятся - ЗУ, ВП, Д;

Выходные устройства. К ним относятся - ИМ, УсПИ, РО;

Устройства центральной части. К ним относятся - УПИ;

Средства промышленных сетей. К ним относятся - КС;

Устройства отображения информации – УОИ.

ТСАиУ выполняют следующие функции : 1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса; 2. передачу информации по каналам связи; 3. преобразование, хранение и обработка информации; 4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем); 5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс и связь с оператором с помощью исполнительных механизмов. Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в следующие функциональные группы: 1. средства на входе системы (датчики); 2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых); 3. внутрисистемные САиУ (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором; 4. средства передачи, хранения и обработки информации.
Такое многообразие групп, типов и конфигураций САиУ приводит к много альтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае. Одним из наиболее важных критериев выбора ТСАиУ может служить их стоимость.

Таким образом, технические средства автоматизации и управления включают в себя приборы для фиксирования, переработки и передачи информации на автоматизированном производстве. С помощью них осуществляется контроль, регулирование и управление автоматизированными линиями производства .

Общие сведения об автоматизации технологических

Процессов пищевых производств

Основные понятия и определения автоматики

Автомат (греч. automatos – самодействующий) – это устройство (совокупность устройств), функционирующее без участия человека.

Автоматизация – это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.

Цель автоматизации – повышение производительности эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация планирования и управления, устранение человека от работы в условиях, опасных для здоровья.

Автоматизация – одно из основных направлений научно-технического прогресса.

Автоматика как учебная дисциплина –это область теоретических и прикладных знаний об автоматически действующих устройствах и системах.

История автоматики как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматика опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматики в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце первой половины XX века вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.

Вторая половина XX века ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматики и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности - от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Особенностью является использование автоматики на объектах, территориально удаленных друг от друга, например, крупные промышленные и энергетические комплексы, аграрные объекты по производству и переработке сельскохозяйственной продукции и т.д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значение при этом приобретают технические (в том числе телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, так как многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматики и составляющей основу общей теории управления.

Введение автоматизации на производстве позволило значительно повысить производительность труда, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства. До внедрения средств автоматизации замещение физического труда происходило посредством механизации основных и вспомогательных операций производственного процесса. Интеллектуальный труд долгое время оставался немеханизированным. В настоящее время операции интеллектуального труда становятся объектом механизации и автоматизации.

Существуют различные виды автоматизации.

1. Автоматический контроль включает автоматическую сигнализацию, измерение, сбор и сортировку информации.

2. Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения о предельных или аварийных значениях каких-либо физических параметров, о месте и характере нарушений ТП.

3. Автоматическое измерение обеспечивает измерение и передачу на специальные регистрирующие приборы значений контролируемых физических величин.

4. Автоматическая сортировка осуществляет контроль и разделение продуктов и сырья по размеру, вязкости и другим показателям.

5. Автоматическая защита это совокупность технических средств, обеспечивающих прекращение контролируемого ТП при возникновении ненормальных или аварийных режимов.

6. Автоматическое управление включает комплекс технических средств и методов по управлению оптимальным ходом ТП.

7. Автоматическое регулирование поддерживает значения физических величин на определенном уровне или изменение их по требуемому закону без непосредственного участия человека.

Эти и другие понятия, относящиеся к автоматизации и управлению, объединяет кибернетика – наука об управлении сложными развивающимися системами и процессами, изучающая общие математические законы управления объектами различной природы (kibernetas (греч.) – управляющий, рулевой, кормчий).

Система автоматического управления (САУ) - это совокупность объекта управления (ОУ ) и устройства управления (УУ ), взаимодействующих между собой без участия человека, действие которой направлено на достижение определенной цели.

Система автоматического регулирования (САР) – совокупность ОУ и автоматического регулятора, взаимодействующих между собой, обеспечивает поддержание параметров ТП на заданном уровне или их изменение по требуемому закону, действуюет также без участия человека. САР является разновидностью САУ.

Классификация технических средств автоматизации не является чем-то, уж слишком, сложным и нагруженным. Однако, в целом технологические средства автоматизации имеют достаточно разветвленную структуру классификации. Попробуем разобраться с ней.

Современные средства автоматизации делятся на две группы: коммутированные и некоммутированные (программированные) технические средства автоматизации:

1) Коммутированные средства автоматизации

Регуляторы

Релейные схемы

2) Программированные средства автоматизации

ADSP процессоры

ADSP процессоры – средство автоматизации, которое используются для сложного математического анализа процессов в системе. Эти процессоры имеют быстродействующие модули ввода/вывода, которые с высокой частотой могут передавать данные на центральный процессор, который с помощью сложного математического аппарата анализирует работу системы. Пример – системы вибродиагностики, которые используют для анализа ряды Фурье, спектральный анализ и счетчик импульсов. Как правило, такие процессоры исполняются в виде отдельной PCI платы, которая монтируется в соответствующий слот компьютера и использует ЦП для математической обработки.

ПЛК (программируемый логический контроллер)

ПЛК – самые распространенные средства автоматизации. Имеют собственный блок питания, центральный процессор, оперативную память, сетевую карту, модули ввода/вывода. Преимущество – высокая надежность работы системы, адаптация к промышленным условиям. Кроме того используются программы, которые выполняются циклически и имеют так называемый Watch Dog, который используется для предотвращения зависания программы. Также программа выполняется последовательно и не имеет параллельных связей и этапов обработки, которые могли бы привести к негативным последствиям.

ПКК (Программируемые компьютерные контроллеры)

ПКК – компьютер с платами ввода/вывода, сетевыми картами, которые служат для ввода/вывода информации.

ПАК

ПАК (программированные автоматизированные контроллеры ) – ПЛК+ПКК. Имеют распределенную сетевую структуру для обработки данных (несколько ПЛК и ПКК).

· Специализированные контроллеры

Специализированные контроллеры – не являются свободно программируемыми средствами автоматизации, а используют стандартные программы, в которых можно изменить только некоторые коэффициенты (параметры ПИД-регулятора, время хода исполнительного механизма, задержки и т.д.). Такие контроллеры ориентированы на заранее известную систему регулирования (вентиляция, отопление, ГВС). В начале нового тысячелетия эти технические средства автоматизации получили большое распространение.

Особенностью ADSP и ПКК является использование стандартных языков программирования: C, C++, Assembler, Pascal , - так как они созданы на базе ПК. Эта особенность средств автоматизации является одновременно и достоинством и недостатком.

Преимущество в том, что с помощью стандартных языков программирования можно написать более сложный и гибкий алгоритм. Недостаток – для работы с ними необходимо создавать драйверы и использовать язык программирования, который является более сложным. Преимуществом ПЛК и ПАК является использование инженерных языков программирования, которые стандартизованы IEC 61131-3 . Эти языки рассчитаны не на программиста, а на инженера-электрика.

Принцип преобразования информации

Принципы управления основаны на принципе преобразования информации.

Преобразователи – устройства, использующиеся в преобразовании величин одной физической природы в другую и обратно.

Датчики – устройства, вырабатывающие дискретный сигнал в зависимости от кода технологического процесса или воздействия на них информации.

Информация и способы её преобразования

Информация должна обладать следующими свойствами :

1. Информация должна быть понятной в соответствии с принятой системой кодирования или её представлении.

2. Каналы передачи информации должны быть помехозащищенными и не допускать проникновение ложной информации.

3. Информация должна быть удобной для её обработки.

4. Информация должна быть удобной для её хранения.

Для передачи информации используются каналы связи, которые могут быть искусственными, естественными, смешанными.

Рис. 3. Каналы связи

По-подробнее о каналах связи мы будем говорить чуть позже.

К средствам формирования и первичной обработки информации относятся клавишные устройства для нанесения данных на карты, ленты или другие носители информации механическим (перфорированием) или магнитным способами; накопленная информация передаётся на последующую обработку или воспроизведение. Из клавишных устройств, перфорирующих или магнитных блоков и трансмиттеров составляются регистраторы производства локального и системного назначения, которые формируют первичную информацию в цехах, на складах и в других местах производства.

Для автоматического извлечения информации служат датчики (первичные преобразователи). Они представляют собой весьма разнообразные по принципам действия устройства, воспринимающие изменения контролируемых параметров технологических процессов. Современная измерительная техника может непосредственно оценивать более 300 различных физических, химических и других величин, но этого для автоматизации ряда новых областей человеческой деятельности бывает недостаточно. Экономически целесообразное расширение номенклатуры датчиков в ГСП достигается унификацией чувствительных элементов. Чувствительные элементы, реагирующие на давление, силу, вес, скорость, ускорение, звук, свет, тепловое и радиоактивное излучения, применяются в датчиках для контроля загрузки оборудования и его рабочих режимов, качества обработки, учёта выпуска изделий, контроля за их перемещениями на конвейерах, запасами и расходом материалов, заготовок, инструмента и др. Выходные сигналы всех этих датчиков преобразуются в стандартные электрические или пневматические сигналы, которые передаются другими устройствами.

В состав устройств для передачи информации входят преобразователи сигналов в удобные для транслирования виды энергии, аппаратура телемеханики для передачи сигналов по каналам связи на большие расстояния, коммутаторы для распределения сигналов по местам обработки или представления информации. Этими устройствами связываются все периферийные источники информации (клавишные устройства, датчики) с центральной частью системы управления. Их назначение - эффективное использование каналов связи, устранение искажений сигналов и влияния возможных помех при передаче по проводным и беспроводным линиям.

К устройствам для логической и математической обработки информации относятся функциональные преобразователи, изменяющие характер, форму или сочетание сигналов информации, а также устройства для переработки информации по заданным алгоритмам (в т.ч. вычислительные машины) с целью осуществления законов и режимов управления (регулирования).

Вычислительные машины для связи с другими частями системы управления снабжаются устройствами ввода и вывода информации, а также запоминающими устройствами для временного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений и др. (см. Ввод данных. Вывод данных, Запоминающее устройство).

Устройства для представления информации показывают человеку-оператору состояние процессов производства и фиксируют его важнейшие параметры. Такими устройствами служат сигнальные табло, мнемонические схемы с наглядными символами на щитах или пультах управления, вторичные стрелочные и цифровые показывающие и регистрирующие приборы, электроннолучевые трубки, алфавитные и цифровые печатные машинки.

Устройства выработки управляющих воздействий преобразуют слабые сигналы информации в более мощные энергетические импульсы требуемой формы, необходимые для приведения в действие исполнительных устройств защиты, регулирования или управления.

Обеспечение высокого качества изделий связано с автоматизацией контроля на всех основных этапах производства. Субъективные оценки со стороны человека заменяются объективными показателями автоматических измерительных постов, связанных с центральными пунктами, где определяется источник брака и откуда направляются команды для предотвращения отклонений за пределы допусков. Особое значение приобретает автоматический контроль с применением ЭВМ на производствах радиотехнических и радиоэлектронных изделий вследствие их массовости и значительного количества контролируемых параметров. Не менее важны и выпускные испытания готовых изделий на надёжность (см. Надёжность технических устройств). Автоматизированные стенды для функциональных, прочностных, климатических, энергетических и специализированных испытаний позволяют быстро и идентично проверять технические и экономические характеристики изделий (продукции).

Исполнительные устройства состоят из пусковой аппаратуры, исполнительных гидравлических, пневматических или электрических механизмов (сервомоторов) и регулирующих органов, воздействующих непосредственно на автоматизируемый процесс. Важно, чтобы их работа не вызывала излишних потерь энергии и снижения кпд процесса. Так, например, дросселирование, которым обычно пользуются для регулирования потоков пара и жидкостей, основанное на увеличении гидравлического сопротивления в трубопроводах, заменяют воздействием на потокообразующие машины или иными, более совершенными способами изменения скорости потоков без потерь напора. Большое значение имеет экономичное и надёжное регулирование электропривода переменного тока, применение безредукторных электрических исполнительных механизмов, бесконтактной пускорегулирующей аппаратуры для управления электродвигателями.

Реализованная в ГСП идея построения приборов для контроля, регулирования и управления в виде агрегатов, состоящих из самостоятельных блоков, выполняющих определённые функции, позволила путём различных сочетаний этих блоков получить широкую номенклатуру устройств для решения многообразных задач одними и теми же средствами. Унификация входных и выходных сигналов обеспечивает сочетание блоков с различными функциями и их взаимозаменяемость.

В состав ГСП входят пневматические, гидравлические и электрические приборы и устройства. Наибольшей универсальностью отличаются электрические устройства, предназначенные для получения, передачи и воспроизведения информации.

Применение универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) позволило свести разработку пневматических приборов в основном к сборке их из стандартных узлов и деталей с небольшим количеством соединений. Пневматические устройства широко применяются для контроля и регулирования на многих пожарои взрывоопасных производствах.

Гидравлические устройства ГСП также комплектуются из блоков. Гидравлические приборы и устройства управляют оборудованием, требующим для перестановки регулирующих органов больших скоростей при значительных усилиях и высокой точности, что особенно важно в станках и автоматических линиях.

С целью наиболее рациональной систематизации средств ГСП и для повышения эффективности их производства, а также для упрощения проектирования и комплектации АСУ устройства ГСП при разработке объединяются в агрегатные комплексы. Агрегатные комплексы, благодаря стандартизации входных-выходных параметров и блочной конструкции устройств, наиболее удобно, надёжно и экономно объединяют различные технические средства в автоматизированных системах управления и позволяют собирать разнообразные специализированные установки из блоков автоматики широкого назначения.

Целевое агрегатирование аналитической аппаратуры, испытательных машин, массодозировочных механизмов с унифицированными устройствами измерительной, вычислительной техники и оргатехники облегчает и ускоряет создание базовых конструкций этого оборудования и специализацию заводов по их изготовлению.

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Конспект лекций

Омск 2006
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

Г
Р е ц е н з е н т ы:
Н.С. Галдин, д.т.н., профессор кафедры «ПТТМ и Г» СибАДИ,

В.В. Захаров, начальник отдела автоматизации ЗАО «НОМБУС».
Гудинов В.Н., Корнейчук А.П.

Г Технические средства автоматизации: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 52 с.
В конспекте лекций даны основные сведения о современных технических и программно-технических средствах автоматизации (ТСА) и программно-технических комплексах (ПТК), о принципах их построения, классификации, составе, назначении, характеристиках и особенностях применения в различных автоматизированных системах управления и регулирования технологическими процессами (АСУ ТП).

Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения по специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

© В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук 2006

© Омский государственный

технический университет, 2006

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Целью курса «Технические средства автоматизации» (ТСА) является изучение элементной базы систем автоматического управления технологическими процессами. Вначале приведем основные понятия и определения.

Элемент (устройство) – конструктивно законченное техническое изделие, предназначенное для выполнения определённых функций в системах автоматизации (измерение, передача сигнала, хранение информации, ее обработка, выработка команд управления и т.п.).

Система автоматического управления (САУ) – совокупность технических устройств и программно-технических средств, взаимодействующих между собой с целью реализации некоторого закона (алгоритма) управления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – система, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляющая собой человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматический сбор и обработку информации, необходимую для управления этим технологическим объектом в соответствии с принятыми критериями (техническими, технологическими, экономическими).

Технологический объект управления (ТОУ) - совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям и регламентам технологического процесса.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая инте­грация и унификация технических решений. Основное требова­ние современных САУ – это открытость системы, когда для нее определены и описаны используе­мые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет под­ключить к ней «внешние» независимо разработанные устройства и приборы. За последние годы рынок ТСА су­щественно изменился, создано много отечественных предприятий, выпус­кающих средства и системы автоматизации, появились фирмы – системные инте­граторы. С начала 90-х годов ведущие зарубежные производители ТСА, начали широкое внедрение своей продукции в страны СНГ через торговые представительства, филиалы, со­вместные предприятия и фирмы-дилеры.

Интенсивное развитие и быстрая динамика рынка современной техники управления требуют появления литературы, отражающей со­временное состояние ТСА. В настоя­щее время свежая информация о средствах автоматизации оте­чественных и зарубежных фирм имеет разрозненный характер и в основном представлена в периодической печати либо в глобальной сети Internet на сайтах фирм-производителей или на специализиро­ванных информационных порталах, таких как www.asutp.ru, www.mka.ru, www.industrialauto.ru. Целью настоящего конспекта лекций является систематизированное представление материала о элементах и про­мышленных комплексах ТСА. Конспект предназначен для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», изучающих дисциплину «Технические средства автоматизации».

1.1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ

В соответствии с ГОСТ 12997-84 весь комплекс ТСА по их функциональному назначению в САУ делят на следующие семь групп (рис.1).

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ:

СУ – система управления; ОУ – объект управления; КС – каналы связи;

ЗУ – задающие устройства; УПИ – устройства переработки информации;

УсПУ – усилительно-преобразовательные устройства; УОИ – устройства отображения информации; ИМ – исполнительные механизмы; РО – рабочие органы; КУ – контрольные устройства; Д – датчики; ВП – вторичные преобразователи

1.2. Тенденции развития ТСА
1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

– в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

– в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических дисплеев);

– в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного тестирования всей системы автоматики);

– в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых промышленных средств).

2. Усложнение элементной базы – означает переход от релейно-контактных схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции (рис.2).

Рис. 2. Этапы развития электрических ТСА
3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким (перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного проектирования (САПР).

1.3. Методы изображения ТСА
В процессе изучения данного курса могут применяться разнообразные методы изображения и представления ТСА и их составных частей. Наиболее часто используются следующие:

1. Конструктивный метод (рис. 7-13) предполагает изображение приборов и устройств методами машиностроительного черчения в виде технических рисунков, компоновок, общих видов, проекций (в том числе и аксонометрических), сечений, разрезов и т.п. .

2. Схемный метод (рис. 14,16-21,23) предполагает в соответствии с ГОСТами ЕСКД представление ТСА схемами различных видов (электрических, пневматических, гидравлических, кинематических) и типов (структурных, функциональных, принципиальных, монтажных и др.) .

3. Математическая модель применяется чаще для программно-реализуемых ТСА и может быть представлена:

– передаточными функциями типовых динамических звеньев;

– дифференциальными уравнениями протекающих процессов;

– логическими функциями управления выходов и переходов;

– графами состояния, циклограммами, временными диаграммами (рис. 14, 28);

– блок-схемами алгоритмов функционирования (рис. 40) и т.п.
1.4. Основные принципы построения ТСА
Для построения современных АСУ ТП требуются разнообразные устройства и элементы. Удовлетворение потребностей столь различных по качеству и сложности СУ в средствах автоматизации при их индивидуальной разработке и изготовлении сделало бы проблему автоматизации необозримой, а номенклатуру приборов и устройств автоматики практически беспредельной.

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и средств автоматизации (ГСП) – представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации, унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. А с 70-х годов ГСП охватывает и непромышленные сферы деятельности человека, такие как: научные исследования, испытания, медицина и др.

Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов, конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих ограничений.

Унификация – это приведение различных видов продукции и средств её производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств. Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование – это разработка и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники (например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и автоматизации обработки информации и др.).

2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ

И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

ГСП представляет собой сложную развивающуюся систему, состоящую из ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных позиций. Рассмотрим функционально-иерархическую и конструктивно-технологическую структуры технических средств ГСП.
2.1. Функционально-иерархическая структура ГСП

Рис. 3. Иерархия ГСП
Отличительными особенностями современных структур построения автоматизированных систем управления промышленными предприятиями являются: проникновение вычислительных средств и внедрение сетевых технологий на все уровни управления.

В мировой практике специалисты по комплексной автоматизации производства также выделяют пять уровней управления современным предприятием (рис. 4), что полностью совпадает с выше приведенной иерархической структурой ГСП.

На уровне Е RP – Enterprise Resource Planning (планирования ресурсов предприятия) осуществляют­ся расчет и анализ финансово-эко­номических показателей, решают­ся стратегические административные и логисти­ческие задачи.

На уровне MES – Manufacturing Execution Systems (системы исполнения производством) – задачи управления качеством про­дукции, планирования и контро­ля последовательности операций технологического процесса, уп­равления производственными и людскими ресурсами в рамках тех­нологического процесса, техничес­кого обслуживания производ­ственного оборудования.

Эти два уровня относятся к задачам АСУП (автоматизированным системам управления предприятием) и технические средства, с помощью которых эти задачи реализуются – это офисные персональные компьютеры (ПК) и рабочие станции на их основе в службах главных специалистов предприятия.


Рис. 4. Пирамида управления современным производством.
На следующих трех уровнях решаются задачи, которые относятся к классу АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами).

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition (система сбора данных и супервизорного (диспетчерского) управления) – это уровень тактического оперативного управления, на котором решаются задачи оптимизации, диагностики, адаптации и т.п.

Control - level – уровень непосредственного (локального) управления, который реализуется на таких ТСА как: ПО – панели (пульты) операторов, ПЛК – программируемые логические контроллеры, УСО – устройства связи с объектом.

HMI – Human-Machine Interface (человеко-машинная связь) – осуществляет визуализацию (отображение информации) хода технологического процесса.

Input / Output – Входы/Выходы объекта управления представляют собой

датчики и исполнительные механизмы (Д/ИМ) конкретных технологических установок и рабочих машин.

2.2. Конструктивно-технологическая структура ГСП


Рис. 5. Структура ГСП
УКТС (унифицированный комплекс технических средств) – это совокупность разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие одинаковые конструктивные элементы.

АКТС (агрегатныйкомплекс технических средств) – это совокупность различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания, уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и программно-технической базе по блочно-модульному принципу. Примеры известных отечественных УКТС и АКТС приведены в табл. 1.

ПТК (программно-технический комплекс) – этосовокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Примеры современных отечественных и зарубежных ПТК приведены в табл. 2.

Конкретные комплексы технических средств состоят из сотен и тысяч различных типов, типоразмеров, модификаций и исполнений приборов и устройств.

Тип изделия – это совокупность технических изделий, одинаковых по функциональному назначению, единого принципа действия, имеющие одинаковую номенклатуру главного параметра.

Типоразмер – изделия одного и того же типа, но имеющие свои конкретные значения главного параметра.

Модификация – это совокупность изделий одного типа, имеющих определенные конструктивные особенности.

Исполнение – конструктивные особенности, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Комплексы ТСА Таблица 1