17 | 06 | 2019

Навчальний посібник Автоматизація технологічних процесів і систем автоматичного керування (частина 1)

1.3.2. Структурні та функціональні схеми

Структурні схеми. При розробці систем автоматизації в першу чергу необхідно з'ясувати, з яких місць ті або інші ділянки об'єкту управляються, де розміщені пункти управління, операторські приміщення і який взаємозв'язок між ними, тобто необхідно встановити, яка структура управління об'єктом.

У найзагальнішому вигляді структурна схема системи автоматизації представлена на рис. 1.7. Система автоматизації складається з об'єкту автоматизації і системи управління цим об'єктом. Завдяки певній взаємодії між об'єктом автоматизації і системою управління система автоматизації в цілому забезпечує необхідний результат функціонування об'єкту, що характеризується параметрами Y1, Y2..., Yn. Ці параметри називають Вихідними параметрами об’єкта автоматизації.

Рис. 1.7. Структурна схема системи автоматизації

До цих параметрів можна віднести як величини, що визначають, наприклад, доцільний кінцевий продукт технологічного процесу, так і окремі параметри, що визначають хід технологічного процесу, його економічність, безаварійну роботу тощо.

Окрім цих основних параметрів, робота об'єктів автоматизації характеризується рядом допоміжних параметрів (ε1, ε2 ..., εN), Які також повинні контролюватися і регулюватися, наприклад підтримуватися постійними. До такого роду параметрів можна віднести, зокрема, величини, що визначають роботу установок підготовки технологічного повітря, технологічної пари насосних станцій оборотного водопостачання тощо.

Від цих установок потрібна тільки подача на вхід технологічної установки початкової сировини і енергоносіїв із заданими параметрами. При цьому необхідне дозування подачі сировини і енергоносіїв здійснюється засобами управління, що відносяться до технологічної установки.

В процесі роботи на об'єкт поступають збурюючі дії F1 F2..., Fn, Що викликають відхилення параметрів Y1, Y2..., Yn від їх оптимальних значень. Ці дії на об’єкт автоматизації, які є непрогнозованими називають Збуренням.

Інформація про поточні значення Y1, Y2..., Yn, ε1, ε2 ..., εN поступає в систему управління і порівнюється з їх заданими значеннями G1, G2, Gn, Внаслідок чого система управління здійснює керуючий вплив X1, X2..., Xn на об'єкт, направлений на компенсацію відхиленнь вихідних параметрів від їх оптимальних значень. Цей керуючий вплив на об’єкт називають Вхідними параметрами об’єкта автоматизації.

Таким чином, об'єкт автоматизації в загальному випадку складається з декількох більшою чи меншою мірою зв'язаних один з одним ділянок управління. Останні фізично можуть представлятися у вигляді окремих установок, агрегатів і так далі або у вигляді локальних каналів управління окремими параметрами одних і тих же установок, агрегатів тощо.

У свою чергу система управління залежно від важливості регульованих параметрів, кола інтересів експлуатаційного персоналу, якому важливо знати їх значення для здійснення оптимального управління об'єктом, в загальному випадку повинна забезпечувати різні рівні управління об'єктом автоматизації, тобто повинна включати декілька пунктів управління, в тому або іншому ступені взаємозв'язаних один з одним.

Як було викладено вище об’єкти автоматизації характеризуються вихідними, вхідними параметрами та збуреннями. Для того щоб врахувати дію цих параметрів на об’єкт автоматизації розробляється структурна схема. Перед виконанням структурної схеми потрібно знати призначення об’єкта автоматизації та його технологічну роботу.

Рис. 1.8. Структурна схема елементного водонагрівача:

X – вхідні параметри;Y – вихідні параметри; F – збурення; Uм – напруга мережі; ΘВ – температура нагріву води; , ΘХ – температура холодної води; ΘК – температура корпусу водонагрівача

Об’єкт автоматизації на схемі показують в вигляді прямокутника. Параметри об’єкта позначають літерами.

Всі параметри зображують стрілками і розміщують вихідні параметри Y праворуч, а вхідні Х – ліворуч від об’єкта автоматизації, збурення FЗверху. Біля стрілок позначають фізичну, механічну, енергетичну, електричну величини відповідними літерами. Під схемою проставляються всі позначення з їх розшифровкою.

Загальний вигляд структурної схеми простого об’єкта автоматизації на прикладі елементного водонагрівача зображено на рисунку 1.8.

Функціональні схеми поділяються на функціональні електричні та функціонально-технологічні схеми автоматизації.

Функціональна електрична схема показує функціональне призначення елементів, пристроїв схеми автоматизації, їх взаємозв’язок з вказуванням виду величини, що передається між функціональними пристроями, використовуючи умовні позначення.

Для того, щоб розробити функціональну схему потрібно досконало знати технологічну роботу установки та призначення кожного елемента об’єкта автоматизації.

На функціональній схемі позначення зображують квадратами з розмірами 15мм, пристрій, що порівнює вхідні величини з заданим параметром позначають колом з діаметром –10 мм і проставляють напрямок дії сигналів за допомогою стрілок між функціональними пристроями.

Напрямок дії керуючого сигналу вказуютьють відповідно до послідовності спрацювання елементів або пристроїв установки. Наприклад, від сприймаючого до порівнюючого пристрою, потім до підсилювального, керуючого, виконавчого та на об’єкт керування, яким являється установка. На стрілках напрямку дії проставляють величину, яка передається між цими елементами або пристроями використовуючи позначення, що прийняті для позначення фізичних, механічних і електричних величин.

Приклади позначень деяких функціональних пристроїв на функціональній схемі показано в таблиці 1.3.

Розміщують на схемі умовні позначення симетрично, лінії зв’язку повинні бути паралельні або перпендикулярні. Позначення мають бути акуратні і розбірливі. Під схемою розміщують позначення елементів або пристроїв на функціональній схемі.

Зразок функціональної схеми елементного непроточного водонагрівача показано на рисунку 1.9.

Функціонально-технологічна схема (ФТС) Автоматизації відображає технічні рішення автоматизації конкретних технологічних процесів. Вона виконується для кожної дільниці виробництва окремо і містить машино-апаратну схему технологічного процесу, на якій за допомогою умовних позначень відображають пристрої керування, прилади і засоби автоматизації і зв’язки між ними, які визначають в цілому принципи побудови системи автоматичного контролю і керування об’єктом.

На функціонально-технологічних схемах автоматизації зображення приладів і засобів автоматизації розміщуються як на схемі розміщення так і в прямокутниках, які знаходяться в нижній частині креслення (приблизно 1/3 висоти) під схемою розміщення.

Таблиця 1.3

Основні позначення на

функціональній схемі

Позначення на функціональній схемі

Найменування позначень на функціональній схемі

КП

ВП

ПП

СП

ПвП

ПрП

ЗП

ППд

ОК

Керуючий пристрій

Виконуючий пристрій

Пристрій порівняння

Сприймаючий пристрій

Перетворювальний пристрій

Програмний пристрій

Затримуючий пристрій

Пристрій підсилення

Об’єкт керування

На зображеннях технологічного обладнання або трубопроводів безпосередньо показуються всі первинні перетворювачі і окремі пристрої для виміру технологічних параметрів. На технологічних трубопроводах показують також зображення регулюючих органів, які входять в окремі контури регулювання, а поряд з ними – зображення виконавчих механізмів, з якими регулюючий орган зв’язаний механічно. Решта апаратури системи автоматизації згрупована і зображена в прямокутниках, які відповідають цьому розміщенню: прилади встановлені на місці, прилади на спеціальних щитах, прилади на центральному щиті.

Рис.1.9. Функціональна схема елементного водонагрівача:

ОК –об’єкт керування, водонагрівач. ВП – виконуючий пристрій, ТЕНи,

КП – керуючий пристрій, магнітний пускач, ПП –пристрій порівняння, термореле

Прямокутники рекомендується виконувати висотою 40 мм, а при більшій кількості апаратури висота може бути збільшена. У всі прямокутники з лівої сторони на полі шириною 15 мм записують відповідний надписи:” Прилади на місці”, “ Щит керування”, “Прилади на щиті”.

В прямокутниках щитів показують всі засоби автоматизації, які встановлені всередині щита, прилади і засоби автоматизації, без яких складно показати межі регулювання: обчислювальні блоки, перетворювачі, сигналізатори тощо.

Для зображення окремих вимірювальних контурів або регулюючих комплектів і для відображення взаємозв’язків між окремими засобами автоматизації використовуються лінії зв’язку між цими елементами. Лінії зв’язку показують тонкими суцільними лініями товщиною 0,2...0,3 мм, які проводяться з найменшим числом перегинів та перетинань між собою. Перетинання умовних позначень засобів автоматизації лініями зв’язку не допускається. Лінії зв’язку до символу приладу допускається підводити з будь-якої сторони кола (зверху, знизу, збоку). Якщо виникає необхідність вказати напрямок передачі сигналу, на лініях зв’язку допускається наносити стрілки.

На функціонально-технологічній схемі автоматизації зв’язок окремих пристроїв, що встановлені на технологічному обладнанні, з первинним вимірювальним перетворювачем або приладом показують лініями, які з’єднують технологічний трубопровід або апарат, з якого знімається інформація. При необхідності точне місце знаходження окремого пристрою або місця виміру (всередині технологічного пристрою) зображують колом діаметром 2 мм на кінці тонкої лінії.

Коли кілька первинних елементів приєднуються до одного приладу, то дозволяється об’єднувати лінії зв’язку в одну. Таке об’єднання допускається також при наявності кількох окремих пристроїв, які працюють з одним приладом через перемикач.

Електроапаратуру, яка призначена для керування і сигналізації з однотипним обладнанням, дозволяється зображувати на схемі для одного електроприводу, а на кресленні вказати загальну кількість.

При виконанні ФТС автоматизації складних технологічних установок дозволяється робити розрив лінії зв’язку для того щоб не було великої кількості перетинів та кутів в лініях. Для цього лінії зв’язку нумеруються однаковими арабськими цифрами, які можна розміщувати в колі діаметром 5 мм, розміщеному на кінці лінії зв’язку. Рекомендується кінці лінії зв’язку біля прямокутника і на технологічній схемі виконувати на одній лінії. При цьому лінії зв’язку на технологічному обладнанні дозволяється обривати знизу, зверху і збоку. Кінці з’єднувальних лінії біля прямокутника необхідно нумерувати зліва направо у порядку зростання.

Технологічне обладнання на ФТС автоматизації зображується спрощено у вигляді схеми без дотримання масштабу. Ця схема повинна відповідати машино-апаратній технологічній схемі з зображенням трубопроводів, органів керування, електрообладнання та допоміжного обладнання. Другорядні пристрої не зображуються. Зображення технологічного обладнання і трубопроводів на технологічній схемі повинно давати повне уявлення про роботу автоматизованого процесу. Внутрішні частини деталей і елементів технологічного обладнання показують тільки в тому випадку, коли необхідно відобразити контакт з ним приладів і засобів автоматизації.

Зображені на схемі технологічні агрегати повинні бути максимально зхожими з реальними об’єктами. Зображення обладнання на ФТС автоматизації повинно співпадати з його позначеннями на технологічній схемі.

Відповідно ГОСТ 21.404-85 при розробці схеми автоматизації користуються умовними графічними та літерними зображеннями. Так, усі датчики та вторинні прилади показують на схемах колом діаметром 10 мм. Виконавчі механізми зображуються колом, діаметр якого 5 мм, регулюючі органи – двома трикутниками, що стикуються (табл. 1.4.). Прилади, розміщені на щиті управління відрізняються від тих, що встановленні безпосередньо на технологічному обладнані горизонтальною лінією, що розміщена посередині графічного зображення.

Таблиця 1.4.

Умовні графічні зображення на схемах автоматизації

Найменування

Позначення і розміри

Загальне

Допустиме

Первинний вимірювальний перетворювач (датчик), який встановлений на місці

Прилад, який встановлений на щиті, пульті

Виконавчий механізм

Регулюючий орган

Виконавчі механізми, які є важливими елементами системи автоматики, характеризуються різноманітністю, що має бути показана на схемі автоматизації (табл.1.5).

Умовні графічні позначення виконуються лініями товщиною 0,5 - 0,6 мм, а горизонтальна лінія всередині позначення і лінія зв’язку – товщиною 0,2 - 0,3мм.

Враховуючи те, що умовні графічні зображення приладів та засобів автоматизації надзвичайно прості та зручні в користуванні і не відображають функціонального призначення відповідних елементів систем автоматики, їх доповнюють умовними літерними позначеннями: великими літерами латинського алфавіту. Залежно від місця знаходження відповідної літери, вона несе різне змістовне навантаження. У середині умовного графічного зображення їх проставляють у верхній частині по трьох позиціях: на першій – літера означає параметр, на який реагує відповідний прилад; на другій— уточнюється призначення першої літери; на третій – функціональні ознаки приладу (рис. 1.10). Значення кожної із літер латинського алфавіту наведене в в табл. 1.6.

Таблиця 1.5.

Особливості зображення виконавчих механізмів

Зображення виконавчого механізму

Особливості виконавчого механізму

Закриває регулюючий орган у випадку припинення подачі енергії або сигналу управління

Відкриває регулюючий орган у випадку припинення подачі енергії або сигналу управління

Залишає регулюючий орган у незмінному стані у випадку припинення подачі енергії або сигналу управління

З додатковим ручним приводом

При позначені основної величини, що вимірюється, літери А, В, С, I, J, N, О, Y, Е, Z є резервними і можуть бути використані у випадках, непередбачених стандартом. Для. уточнення призначення першої літери використовується літери D, F, J та Q, три з них допускається записувати малими d, f, q.

Функціональні ознаки приладів на схемах позначають літерами А, І, R, С, S, Н, L. Якщо один і той же прилад має кілька функціональних призначень то літери, якими вони позначені, записуються в такій послідовності ІRСSА (показ – реєстрація, регулювання або управління – вмикання, вимикання, перемикання – сигналізація). Треба пам’ятати, що в позначені показують лише ті функціональні ознаки приладу, які використовуються в даній системі.

Приклади побудови умовних позначень окремих приладів і засобів автоматизації наведені у таблиці табл.1.7.

Таблиця 1.6

Літерне позначення на схемах автоматизації (ГОСТ 21.404-85)

Позначення

Величина, що вимірюється

Функції, що виконуються приладом

Основна ознака першої літери

Додаткова

Ознака першої

Літери

Відображен-ня інформації

Нормування вихідного сигналу

Додаткове значення

А

Сигналізація

В

С

Регулювання, управління

D

Густина

Різниця, перепад

Е

Будь-яка

Електрична

Величина

F

Витрата

Співвідношен-ня, частина

G

Розмір, положення, переміщення

Н

Ручна дія

Верхня межа вимі-рювальної величини

І

Показ

J

Автоматичне перемикання, оббіг

К

Час, часова програма

L

Рівень

Нижня межа ви­мірюваної величини

М

Вологість

N

О

Р

Тиск, вакуум

Q

Величина, яка характе-ризує якість, склад, концентра-цію тощо

Продовження таблиці 1.6

Позначення

Величина, що вимірюється

Функції, що виконуються приладом

Основна ознака першої літери

Додаткова

Ознака першої літери

Відображен-ня Інформації

Нормування вихідного

Сигналу

Додаткове значення

R

Радіоактив-ність

Реєстрація

S

Швидкість, частота

Вмикання, вимикання, перемикання

Т

Температура

Дистанційна передача інформації

U

Кілька різних величин, що вимірюються

V

В'язкість

W

Маса

X

Резервна літе-ра, нереко-мендована для використання

Y

Z

Літери Н, L проставляють за межами умовного графічного позначення (табл.1.7 поз. 1).

Для конкретизації вимірюваної величини праворуч від умовного графічного позначення показують назву або символ величини, що вимірюється (табл.1.7 поз. 2).

Літеру U можна використовувати для позначення вторинного приладу, що вимірює кілька різнорідних величин. Детальне розшифровування величини, що вимірюється, повинно бути наведено біля приладу або на полі креслення (табл. 1.7, поз 3 ). Слід пам’ятати, що первинні перетворювачі такого комплекту потрібно показувати у відповідності з вимірюваною величиною.

Літеру Н використовують у позначенні засобів, які виконуються у вигляді окремих блоків, позначених для ручних операцій (літера Н має стояти на першому місці). Наприклад, літерою Н позначають кнопку дистанційного. управління, НS – перемикач електричних ланцюгів ( табл.1.7, поз. 4,5 ).

Резервні літери, що використовуються для позначення приладів на схемах автоматизації, повинні бути розшифровані безпосередньо на самому кресленні. Не допускаються в одній і тій же документації одну і ту ж резервну літеру використовувати для позначення різних величин. Літеру Х можна використовувати одноразово в надзвичайних випадках.

Таблиця 1.7

Приклади побудови умовних позначень окремих приладів і засобів автоматизації

№ п/п

Характеристика приладу

Позначення

1

Прилад, який виконує функцію сигналізації верхньої та нижньої межі температури, встановлений на щиті.

2

Прилад для вимірювання струму (амперметр) встановлений на щиті.

3

Прилад для вимірювання температури та вологості

4

Прилад ручного дистанційного управління, який встановлений на щиті (кнопковий пост, тумблер).

5

Прилад керування, який призначений для вибору керування, встановлений на щиті (перемикач).

6

Первиний перетворювач температури, встановлений по місцю (термопара, терморезитор).

7

Прилад для виміру температури показуючий, встановлений на щиті.

8

Первиний перетворювач тиску, встановлений по місцю (манометр, вакуумметр).

9

Прилад для виміру тиску показуючий з контактним пристроєм (манометр, реле тиску) встановлений по місцю.

10

Первиний перетворювач для виміру рівня верхнього, встановлений по місцю (ємнісний датчик, п’єзоелектричний).

11

Прилад, який спрацьовує від рівня, встановлений по місцю (реле рівня нижнього).

12

Перетворювач сигналу, встановлений на щиті (вхідний сигнал електричний – вихідний пневматичний).

13

Прилад для керування процесом по часовій програмі, встановлений на щиті (реле часу).

14

Прилад для контролю загасання факелу в печі безканальний, з контактним пристроєм, встановлений на місці.

15

Прилад для вимірювання швидкості обертання приводу, з реєстрацією, встановлений на щиті.

Продовження таблиці 1.7 Приклади побудови умовних позначень окремих приладів і засобів автоматизації

№ п/п

Характеристика приладу

Позначення

16

Прилад, що реагує на зміну тиску з дистанційною передачею сигналу

17

Перетворювач сигналу, встановлений на щиті. Вхідний та вихідний сигнали електричні.

18

Пускова апаратура для керування електродвигуном (увімкнення, вимкнення, закривання засувки тощо)

19

Перетворювач інформації про температуру з аналового сигналу на дискретний

20

Перетворювач інформації про вологість із сигналу електричного на пневматичний

21

Перетворювач інформації про тиск з пневматичного сигналу на електричний

22

Прилад для вимірювання вологості з реєструванням, встановлений на щиті.

Літеру S використовують для позначення контактного пристрою приладу, що використовується лише для вмикання, вимикання, блокування; її не слід використовувати для позначення функцій регулювання.

На схемах автоматизації складні прилади, що виконують ряд функцій, показують кількома колами, які примикають одне до одного.

Часто функціональні ознаки приладів та засобів автоматизації можуть бути показані за допомогою літер Е, Т, К, Y. У цих випадках позначення всього приладу повинне складатися лише із двох літер. Перша з них означає параметр, на який реагує прилад, а друга – функціональну належність приладу (табл.1.7. поз.6, 16, 17 ). Наприклад, ТЕ означає, що на схемі зображений первинний перетворювач температури, РТ – прилад, що реагує на зміну тиску з дистанційною передачею сигналу, ТY – перетворювач температури.

Додаткові позначення приладів та засобів автоматизації проставляють і за межами умовних графічних позначень.(табл. 1.8). Ці позначення належать до перетворювачів сигналів та обчислювальних пристроїв тобто до таких засобів автоматизації, функціональні особливості яких позначаються літерою Y (дволітерне позначення). Наприклад, позначення в таблиці 1.3.7. поз. 19, 20, 21 означають: 19 – перетворювач інформації про температуру з аналового сигналу на дискретний, 20 – перетворювач інформації про вологість із сигналу електричного на пневматичний, 21 – прилад, що передає інформацію про тиск.

На схемах автоматизації позиційне позначення приладів та засобів автоматизації розміщують у нижній частині умовного графічного зображення. Воно складається з арабської цифри та малої літери українського алфавіту. Цифра в позиційному позначенні вказує на номер комплекту, а літера – місце даного приладу в комплекті обладнання. При цьому літери в алфавітному порядку надаються елементам кожного комплекту в послідовності руху інформації по контуру. Наприклад, з системах контролю – від первинного перетворювача до вторинного приладу; в системах керування – від місця отримання інформації до регулюючого органу (1-а, 1-б, 1-в...).

Таблиця 1.8 Додаткові позначення для перетворювачів сигналів

Назва

Позначення

Рід сигналу :електричний

пневматичний

гідравлічний

Вид сигналу: аналоговий

дискретний

Е

Р

С

А

Д

Схема автоматизації можуть виконуватись як спрощено, так і розгорнуто. У першому випадку не показують первинних перетворювачів, а також усю допоміжну апаратуру. Прилади і засоби автоматизації, що виконують складні функції і виконані у вигляді окремих блоків, показують одним умовним графічним позначенням (рис. 1.11, а). Розгорнутий спосіб (рис. 1.11, б) використовують у тих випадках, коли необхідно конкретизувати функцію кожного приладу і засобу автоматизації, що входять до єдиного вимірювального, регулюючого або управляючого комплекту.

Схеми автоматизації можуть виконуватись як з умовним зображенням щитів або пультіа управління (рис. 1.11, а), такі без них (рис. 1.11, б). У першому випадку побудова схем дещо ускладнена, але вони більш наочні, у другому – навпаки, спрощується підготовка схем, але наочність погіршується.

Рис.1.11. Спрощений (а) та розгорнутий (б) способи виконання

Схем автоматизації

Схеми автоматизації можуть виконуватись як з умовним зображенням щитів або пультіа управління (рис. 1.12, а), такі без них (рис. 1.12, б). У першому випадку побудова схем дещо ускладнена, але вони більш наочні, у другому – навпаки, спрощується підготовка схем, але наочність погіршується.

Рис. 1.12. Зображення схем автоматизації:

А — IЗ Зображенням щита керування; б — без зображення щита керування

Якщо схеми автоматизації складні, то лінії зв'язку допускається розривати. При цьому обидва кінці ліній у місцях розриву нумерують однією і тією ж арабською цифрою. Для нижнього ряду (рис. 1.12, а) номери повинні йти в порядку зростання зліва направо; для верхнього ряду подібна умова не є обов'язковою.

Рис. 1.13. Функціонально-технологічна схема автоматизації керування температурним режимом овочесховища

Зразок виконання функціонально-технологічної схеми показано на рисунку 1.13.