Обеспечение нормального функционирования систем ПА

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 51Следующая ⇒

Все IT - средства и система в целом состоят из следующих компонентов (видов обеспечений):

1) техническое (аппаратное) (АО);

2) алгоритмическое – обоснование используемых алгоритмов измерения, управления и регулирования;

3) программное:

· операционная система (ОС) диспетчерского (например, Windows NT, XP и т.д.),

· ОС контроллерного уровня (например, MS DOS, ROM DOS и т.д.),

· SCADA для диспетчерского уровня;

· прикладные программы для контроллерного уровня;

· инструментальные средства программирования (например, Concept, Unity Pro [Sсhneider Electric]);

· другое ПО;

4) информационное: базы технических и технологических данных, включая:

· параметры ТП и критические параметры оборудования,

· признаки аварийных состояний ТП и оборудования,

· состав допускаемых к работе с системой операторов и т.д.;

· базы регистрации и архивации протоколов ТП и действий операторов;

5) коммуникационное:

· топология информационных сетей;

· используемые интерфейсы и протоколы связи;

· состав, функции и параметры используемого сетевого оборудования;

6) метрологическое:

· состав и метрологические характеристики используемых средств измерений (СИ), включая аналоговые датчики, каналы в-в аналоговых сигналов, ПО измерений;

· сроки и методики контроля погрешности, калибровки и поверки (при необходимости);

7) методическое:

· методическая документация по эксплуатации IT - средств АСУ и системы в целом, включая:

· отдельную эксплуатационную документацию в электронном виде и/или на бумажных носителях;

· включенную в прикладные ПО для средств ЧМП в виде всплывающих подсказок дисплейных средств визуализации и управления;

· курсы обучения и переподготовки специалистов:

o на предприятии;

o у поставщиков соответствующих сложных средств АСУ;

8) организационно-правовое, включая узаконенные приказами руководства предприятием организационные положения об эксплуатации АСУ, включая:

· определение обязанностей сотрудников и их ответственность;

· условия и периодичность аттестации знаний по использованию АСУ;

· правовые основы и нормы использования и модернизации АСУ;

· правовой статус циркулирующей в АСУ информации и генерируемой технологической документации;

· права и ответственность должностных лиц при эксплуатации и модернизации АСУ.

При создании АСУ ТП следует обеспечить точное соответствие проекту приобретаемого технического и общего и инструментального ПО, а также документирование всех других видов обеспечений. При эксплуатации АСУ необходимо тщательное исполнение указанной обеспечивающей эксплуатационной документации.

Безопасная и эффективная эксплуатация АСУ ТП возможна только при полном комплекте и при постоянной поддержке всех указанных компонентов ее средств.

Основными характеристиками АСУ ПА в целом является:

· архитектура и функциональные характеристики всей системы;

· функциональные и технические характеристики основных структурных элементов ПА:

o датчики, o средства в-в, o СПИУ, включая АО и ПО,

o ИсУ, o средства визуализации и управления;

· характеристики и способы создания и поддержки для основных обеспечений (компонент):

o технического (аппаратного) o программного; o алгоритмического; o информационного;

o коммуникационного; o метрологического; o методического o организационно - правового

· характеристики и способы определений интегральных (суммарных) технических характеристик системы:

· распределённость; · открытость; · точность, включая своевременность

· помехозащищенность; · безопасность; · надежность

Далее содержанием курса для АСУ ПА является: указанные характеристики основных средств и систем.

Функциональная и информационная характеристика сетей ПА и алгоритмическое обеспечение прикладного ПО выходят за пределы данного курса.

Требования к архитектуре конкретной АСУ ТП

Архитектура конкретной системы ПА может быть различной в зависимости от особенностей и масштаба решаемой задачи автоматизации. Однако архитектура АСУ должна удовлетворять следующим общим требованиям:

· слабая связанность элементов архитектуры между собой (т.е. декомпозицию системы на части следует производить так, чтобы поток информации через связи был минимален и через них не замыкались бы контуры автоматического регулирования);

· тестируемость (возможность установления факта правильного функционирования);

· диагностируемостъ (возможность нахождения неисправной части системы);

· ремонтопригодность (возможность восстановления работоспособности за минимальное время при экономически оправданной стоимости ремонта);

· надежность (например, выбором датчиков с соответствующими принципами действия или исполнения, или путем резервирования части АСУ или системы в целом);

· простота обслуживания и эксплуатации (минимальные требования к квалификации и дополнительному обучению эксплуатирующего персонала);

· безопасность (соответствие требованиям промышленной безопасности и технике безопасности);

· защищенность системы от вандалов и неквалифицированных пользователей;

· экономичность (экономическая эффективность в процессе функционирования);

· модифицируемость (возможность перенастройки для других характеристик ТП);

· функциональная расширяемость (возможность ввода в систему дополнительных функциональных возможностей, не предусмотренных в первичном техническом задании);

· наращиваемость (возможность увеличения размера АСУ при увеличении размера объекта автоматизации);

· открытость (разд.2);

· возможность переконфигурирования системы (для работы с другими ТП или другим оборудованием);

· максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения (обычно достигаемая путем периодического обновления аппаратных и программных средств, а также выбором долгоживущих промышленных стандартов);

· минимальное время на монтаж и пуско-наладку (развертывание) системы.

Состав ПА. Датчики

Основные понятия и общая классификация

Датчик (сенсор) – средство, преобразующее оказываемое на него воздействие в электрический или информационный сигнал.

Воздействие может быть:

· непрерывным ( аналоговым ) например, температура окружающей среды),

· дискретным - имеющим 2-состояния (например, включатель) (правильнее такое воздействие назвать – бинарным, но первый термин устоялся в ПА и будет использоваться далее);

· импульсным – последовательно сдвоенным дискретным, повторяющимся через некоторые промежутки времени:

o периодическим, еслипромежутки времени одинаковы;

o непериодическим, еслипромежутки времени различны;

· гармонический (синусоидальный), если периодический сигнал монотонен.

Виды датчиков в соответствии с видом воздействия ( в скобках указана используемая в ПА информацияо воздействии, содержащаяся в выходных электрических сигналах):

· аналоговые (значение уровня сигнала, обычно, постоянного тока);

· дискретные (текущее состояние воздействия);

· импульсные (общее число импульсов с определенного момента времени или частота их повторения));

· гармонические (амплитуда, частота и фаза относительно некоторых опорных значений).

Достаточно широкое распространение получили также аналоговые датчики предельного значения - комбинации аналоговых по воздействию и дискретных по реакции датчиков при достижении аналоговым воздействием устанавливаемого значения (уставки). Часто такие датчики называют функциональными реле.

По опыту автора среди датчиков ПА:

· дискретных и импульсных ~ до 65 … 70%,

· аналоговых, включая функциональные реле ~ 25…30% и более.

Относительное число остальных видов датчиков незначительно. Поэтому далее в основном рассматриваются только аналоговые и дискретные датчики.

Аналоговые датчики. Основные понятия и классификации

Основные понятия

Физическая величина (ФВ) – количественная характеристика внешнего воздействия, используемая для управления оборудованием(например, температура, давление).

Датчик (сенсор) аналоговый – средство измерений (СИ) преобразующее воздействующую на него ФВ в электрический или информационный сигнал.

Средство измерений (СИ) в автоматике – электротехническое, электронное или электронно - информационное средство предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Измерительный сигнал – метрологически нормированныйэлектрический сигнал, одна их характеристик которого соответствует значению измеряемой ФВ.

Измерительное данное – значение измеряемой ФВ в цифровом виде.

Чувствительный элемент (первичный преобразователь) (ЧЭ) – функциональная часть сенсора, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой ФВ.

Измерительный преобразователь (ИП) – функциональная часть сенсора преобразующая ФВ с нормированными метрологическими характеристиками.

Основные классификации

Виды ЧЭ аналоговых сенсоров по способу преобразования ФВ:

1) Физические - использующие известные физические закономерности, включая мостовую схему сравнения, для прямого пропорционального преобразования значения ФВ в уровень электрического сигнала (например, термоэлектрический эффект (Зеебека) в термопарах или мостовые схемы тензодатчиков т.д.) Функциональная схема – на рис.1.1.

2) Косвенные - измерительные приборы – определяющие значение ФВ по результатам измерений физически связанной с ней вспомогательной ФВ. Содержит генератор и измеритель вспомогательной ФВ, а также тракт ее взаимодействия с искомой ФВ (например, радарный или ультразвуковой уровнемеры). Функциональная схема – на рис.1.2.

Рис.2.1.Обобщенная структурная схема датчика с физическим ЧЭ

Рис.1.2.Обобщенная функциональная схема датчика с косвенным преобразованием измеряемой ФВ

Виды ЧЭ по числу преобразовательных элементов:

· прямого действия - преобразуют ФВ непосредственно в электрический сигнал, используя соответствующее физическое явление (например, термо - тензо - пьезоэлектрический эффекты),

· составные – содержат несколько преобразователей видов энергии (например, в состав химического сенсора могут входить 2 преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой - преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал).

Виды ЧЭ по использованию электропитания:

· пассивные – не нуждаются в дополнительном источнике энергии (например, термоэлектронные, пьезоэлектрические, фотодиоды),

· активные - используют источник внешней энергии (например, термисторные, тепло-, термо- или тензорезистивные).

Естественный сигнал – собственная эдс или изменение подаваемой извне электрической энергии на выходе ЧЭ.

Сигнал возбуждения – ток или напряжение, подаваемые в активные ЧЭ и изменяющие свою величину в ответ на воздействие ФВ.

Виды сенсоров по способу преобразования:

· генераторные – пассивные ЧЭ реагирующие на внешнее воздействие изменением выходной эдс,

· параметрические – активные ЧЭ, параметры (свойства) которых изменяют (модулируют) сигнал возбуждения.

По приведенной классификации генераторные ЧЭ являются физическими, а параметрические - косвенными с электрическим вспомогательным сигналом (например, в терморезисторе, ФВ – температура рабочей среды, изменяет проводимость ЧЭ и вспомогательный сигнал возбуждения изменяет свои параметры, обеспечивая измерение ФВ).

Виды выходных сигналов аналоговых датчиков (измерительных преобразователей):

· естественный –на выходе ЧЭ (обычно потенциальный);

· унифицированный - изменяющийся в определенных пределах, независимо от вида измеряемой ФВ, метода и диапазона ее измерения (обеспечивает унификацию СА);

· информационный – цифровое значение ФВ предназначенное для передачи и дальнейшего использования (обработки)

Виды унифицированных выходных сигналов по ГСП:

· постоянного тока: 0…5мА, (0)4…20мА, ±5 мА, 0…10В, ± 10В, 0…20В, 0…1000В

· переменного тока: 0…2В, ± 1В, 2…4КГц, 4…8КГц,

В ПА используются также ненормализованные унифицированные сигналы с другими параметрами.

2.2.3.

Общая структурная схема датчиков

Обобщенная структурная схема датчика показана на рис.1.3:

Рис.1.3.Обобщенная структурная схема датчика

Общий состав датчика:

· ЧЭ;

· Измерительные преобразователи (в первичных датчиках – отсутствуют);

· Интерфейсы передачи измерительной информации;

· Интерфейс электропитания (в первичных датчиках – отсутствует);

· Механический интерфейс установки и крепления датчика на объекте измерения;

· Средства защиты ЧЭ от воздействия рабочей среды;

· Средства защиты ИП от воздействия окружающей среды.

Интерфейсы передачи измерительной информации – соединители, могут быть:

· Электрическими;

· Информационными.

Любой из них может отсутствовать. При наличии электрического интерфейса он, обычно, интегрируется с интерфейсом электропитания постоянным током.

Электрические с оединители могут быть:

o Клеммные (наиболее распространенные);

o Разъемные.

Тип информационного соединителя определяется требованиями используемого коммуникационного интерфейса.

Обычным средством защиты ЧЭ от неблагоприятного воздействия рабочей среды является соответствующая его изоляция в виде прочного корпуса или специального покрытия. Выбор формы и размеров корпуса позволяет установливать ЧЭ в нужное место оборудования.

Обычным средством защиты ЭИ от внешней среды является прочный корпус с высокой степенью защиты от пыли и влажности, и с высоким уровнем антикоррозионной защиты, за счет соответствующих покрытий.

Механический интерфейс обеспечивает установку датчика на оборудовании в месте, необходимым для измерения, и удобном для текущего обслуживания датчика.

2.2.4. Классификация датчиков по глубине преобразования

Виды аналоговых датчиков по глубине преобразования:

· естественный (первичный),

· электронный,

· микропроцессорный (микроконтроллерный):

· интеллектуальный.

Дополнительные технические возможности датчиков:

· средства визуализации выходных сигналов (цифровой жидкостно-кристаллический индикатор (ЖКИ), символьный или графический дисплей);

· средства визуализации состояния работоспособности датчика (светосигнальный элемент),

· средства контроля и сигнализации процесса (для функциональных реле).

1.Датчик - первичный измерительный преобразователь.

Состав:

· ЧЭ (генераторный или параметрический),

· Электрический и механический интерфейсы,

· средства защиты ЧЭ и электрического интерфейса.

Подавляющее число первичных датчиков ПА – термосенсоры, выполненые с клемными соединителями.

Виды первичных термодатчиков по конструкции:

· корпусные – имеют специальный составной корпус, защищающий ЧЭ от воздействия рабочей среды и соединитель - от воздействия внешней среды;

· кабельные – безкорпусные, не содержат собственного электрического интерфейса, имеют защиту удлинительныхпроводовв виде гибкого кабеляс многослойной изоляцией (для установки датчика в труднодоступных местах)

Примеры корпусных и кабельных первичных термодатчиков приведены на рис.1.4.

Принципы действия наиболее распространенных датчиков температуры изложены далее.

2.Датчик электронный с унифицированным выходным сигналом.

Состав (рис.1.5):

· первичный чувствительный элемент со средствами защиты от воздействия рабочей среды,

· аналоговая электронная схема,

· интерфейс электрический и электропитания;

· защитный корпус электронной схемы и ЭИ от воздействия внешней среды

Рис.1.5. Обобщенная функциональная схема электронного датчика с унифицированным выходным сигналом

Электронной схемой является усилитель с нормированными метрологическими характеристиками и с возможностью ручной подстройки при калибровке (2 регулировочных элемента).

3.Датчик микропроцессорный с унифицированным выходным сигналом и/или коммуникационным портом и/или выносным индикатором.

Состав (рис.1.6):

· первичный чувствительный элемент со средствами защиты от воздействия рабочей среды,

· микропроцессорная система, возможно, интегрированная в единую микросхему;

· интерфейс коммуникационный (порт) (может отсутствовать);

· интерфейс электрический для унифицированных сигналов (может отсутствовать);

· интерфейс электропитания (может быть конструктивно объединен с предыдущим);

· интерфейс внешнего или встроенного индикатора (могут отсутствовать);

· интерфейс электрического сигнала контроля (только для функциональных реле);

· индикатор (встроенный или подключаемый внешний) (может отсутствовать);

· встроенный сигнальный элемент контроля работоспособности (может отсутствовать);

· защитный корпус электронной микропроцессорной системы и интерфейсов от воздействия внешней среды

Рис.1.6. Обобщенная функциональная схема микроконтроллерного (информационного) датчика

Индикатор может отсутствовать, или может быть:

· встроенным, подключаемым или выносным;

· стрелочным или цифровым.

3.Датчик микропроцессорный с унифицированным выходным сигналом.

Обобщенный состав (рис.1.5):

· чувствительный элемент,

· микропроцессорная плата (модуль):

o аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

o энергонезависимая память с конфигурационной информацией:

§ коэффициенты коррекции АЦП,

§ пределы диапазона,

§ время усреднения,

§ и т.д.,

o управляющий микропроцессор с энергонезависимой памятью:

§ с системным программным обеспечением (ПО) функций управления датчиком, включая:

o обмен данными по внутренней шине,

o прием / передача данных через порт связи,

§ прикладным ПО обеспечивающим:

o хранение переходной характеристики,

o линеаризацию,

o изменение диапазона,

o усреднение,

o пересчет физических единиц,

o терминальный порт связи внешних информационных устройств (например, с ПК с соответствующей конфигурационной программой) с энергонезависимой памятью датчика,

o цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для получения унифицированного выходного сигнала,

o внутренняя шина связи микропроцессора с другими информационными устройствами датчика,

· корпус:

o защита от воздействия внешней среды: ЧЭ, электронных элементов,

o крепление соединителей с внешним устройством и коммуникационных разъемов,

o крепление индикатора (при наличии).

Принцип действия:

1) сигнал с ЧЭ по запросу (команде) микропроцессора в АЦП преобразуется в число,

2) в соответствии с прикладным ПО полученное число корректируется и усредняется в соответствии с конфигурационными параметрами,

3) полученное число подается в ЦАП и преобразуется в унифицированный сигнал, подаваемый на выходы датчика,

4) запись в память конфигурационных параметров (например, по результатам калибровки) производится через специальный терминальный порт с помощью внешнего информационного устройства (например, компьютера) со специальным конфигурационным ПО.

Преимущество: простота изменения и обеспечения стабильности конфигурации по сравнению с настройкой аналоговых схем.

Примечание: все преобразовательно - информационные функции датчика с достаточной точностью выполняются соответствующим микроконтроллером (т.е. единой микросхемой), возможно с обеспечивающими микросхемами: интерфейсной связи, генерации опорного напряжения и т.д.

4.Датчик микроконтроллерный с коммуникационными возможностями.

Микропроцессорный (микроконтроллерный) датчик с коммуникационным портом обмена данными и соответствующим системным и прикладным ПО, обеспечивающим эти коммуникационные возможности. Обмен производится в составе определенной системы информационных средств - обычно по информационной сети с протоколом битовой формы. По виду схема не отличается от показанной на рис.1.5. если используемый порт – коммуникационный. Этот же порт используется для конфигурации датчика.

В датчиках, с широко распространенным на сенсорном уровне протоколом обмена HART, канал этого обмена совмещен с выходным аналоговым унифицированным сигналом и обеспечивается специальными модемами.

5.Датчик микроконтроллерный с дисплеем (индикатором).

Индикатор обеспечивает возможность оперативного контроля показаний датчика. В некоторых случаях содержит также сигнальные элементы тревожной сигнализации и соответствующие органы настройки такой сигнализации.

Типы индикаторов (рис.1.6):

· стрелочный – обычно для электронных датчиков с унифицированными сигналами,

· цифровой - обычно –ЖКИ с подсветкой или без нее, используется для микропроцессорных датчиков.

Конструкция:

· встроенный,

· выносной.

Рис 1.5.Примеры общего вида индикаторов датчиков

Выносной индикатор – электрически связанный с датчиком, но конструктивно отдельный от него.

Обеспечивает:

· более удобный обзор,

· меньшие требований к исполнению по защите от внешней среды (может быть вынесен из особо тяжелых условий эксплуатации датчика),

· возможность установки в щитовой пульт управления.

Встроенный индикатор - для удобства доступа к электронному преобразователю может разворачиваться относительно измерительного блока.

6.Датчик интеллектуальный.

По схеме незначительно отличается от микропроцессорных (микроконтроллерных) датчиков с коммуникационными возможностями и дополнительно обеспечивает:

· автоматическое или с несложным конфигурированием встраивание в соответствующую интерфейсу его порта коммуникационную сенсорную сеть (как ведомый),

· постоянную автоматическую самокалибровку,

· постоянное автоматическое тестирование состояния работоспособности и диагностику при сбое в работе,

· хранение и воспроизведение данных, записанных изготовителем.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒