Промышленная автоматика

Содержание
Введение…………..……………….…………....…………………….… 3
1. Отличие промышленной автоматики от бытовой электроники...... 4
2. Сертификаты и стандарты….……….………………………...…….. 5
3. Назначение схем автоматизации и общие принципы
их выполнения…………………………………………….…………...……… 6
4. Общая характеристика промышленной автоматики…………...…. 9
5. Основной структурно – функциональный состав ПА…………… 14
6. Локальная САУ……………………………………………...……… 17
Заключение...……………….………..................................................... 21
Список литературы………....……………………………...……...….. 22
Введение
Промышленная автоматика — общее название разнообразных механических, электрических, пневматических, гидравлических и электронных устройств, применяемых для автоматизации технологических процессов, дискретных, непрерывных и гибридных производств — ТЭЦ, конвейеров, станков с числовым программным управлением, промышленных роботов, зданий, а также транспортных средств и транспортной инфраструктуры, систем логистики.Промышленная автоматика включает в себя элементы электроустановок, систем автоматизации, а также мехатронных систем. От специалиста по промышленной автоматике требуется широкий спектр технических компетенций, включая монтаж каналов, кабелей, приборов, устройств ввода/вывода и программируемых логических контроллеров. Кроме того, специалист по промышленной автоматике проектирует электрические цепи, программирует логические контроллеры, параметрирует магистральные системы и конфигурирует человеко-машинные интерфейсы.
Производственные условия, вероятно, будут потенциально очень вредны и опасны. Специалист по промышленной автоматике активно продвигает применение лучших практических методов в сфере охраны труда и техники безопасности и строго соблюдает соответствующее законодательство.
Одним из важных навыков специалиста по промышленной автоматике является диагностика, куда входит идентификация проблем во время монтажа установок в составе нового предприятия или их устранение на существующем предприятии.
1. Отличие промышленной автоматики от бытовой электроники
Поддержка расширенных температурных диапазонов (так как большое количество устройств функционирует вне помещений или в необогреваемых помещениях или шкафах).
Различают следующие температурные диапазоны:
1. 0 … 55°C — температурный диапазон для электроники функционирующей в помещении;
2. −20 … +75°C — расширенный температурный диапазон;
3. −40 … +85°C — широкий температурный диапазон;
4. −55 … +110°C — диапазон используется в авиационной автоматике.
Специальная технология изготовления микросхем — в промышленных микроконтроллерах, как правило, не приветствуется использование вентиляторов (на процессорах, блоках питания), так как любые движущиеся части — являются наименее надёжными частями изделия, поэтому все микросхемы должны охлаждаться за счёт естественной циркуляции воздуха (конвекции). Для этого их изготавливают по специальной технологии, позволяющей значительно снизить потребление электрической энергии.
Вибрационная стойкость — устройства промышленной автоматики должны быть устойчивы как к постоянным вибрационным воздействиям, так и к одиночным ударам.
2. Сертификаты и стандарты
Сертификаты — после изготовления электронного устройства, его производитель должен провести его испытания по разным методикам, на подтверждение его характеристик, после чего его можно будет использовать на разных объектах, стоимость сертификации значительна, и составляет в среднем 50 % стоимости изделия для заказчика.
Отдельные сертификаты необходимы для использования:
– В средствах коммерческого учёта (нефти, тепла, газа);
– На морских судах (Морской регистр, DNV (Норвежский морской регистр), Морской регистр Ллойда, Немецкий морской регистр);
– в России на объектах подведомственных Ростехнадзору (АЭС, сосуды работающие под давлением, трубопроводы высокого давления и т. п.);
– Для датчиков необходимо получить метрологический сертификат из Государственного центра стандартизации и метрологии;
– на авиационной технике;
– на военной технике (в США есть серия стандартов MIL-STD).
3. Назначение схем автоматизации и общие принципы их выполнения
Схема автоматизации — основной технический документ, определяющий функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля технологического процесса, его управления и регулирования, а также оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации. Он определяет структуру и функциональные связи между технологическим процессом и средствами автоматизации.
Согласно ГОСТ 21.408-93, на схеме автоматизации изображают:
1. Технологическое и инженерное оборудование и коммуникации (трубопроводы, газоходы, воздуховоды) автоматизируемого объекта.
2. Технические средства автоматизации или контуры контроля, регулирования и управления (контур — совокупность отдельных функционально связанных приборов, выполняющих определенную задачу по контролю, регулированию, сигнализации, управлению и т.д.).
3. Линии связи между отдельными техническими средствами автоматизации или контурами (при необходимости).
При необходимости на поле чертежа даются пояснения и таблица условных обозначений, не предусмотренных действующими стандартами.
Схемы автоматизации выполняют двумя способами:
1) развернутым, при котором на схеме изображают состав и место расположения технических средств автоматизации каждого контура контроля и управления. Пример выполнения схемы по первому варианту приведен на рис. 1;
2) упрощенным (рис. 2), при котором на схеме раскрывают основные функции контуров контроля и управления (без выделения входящих в них отдельных технических средств автоматизации и указания места расположения).
Рисунок 1 – Пример выполнения схемы автоматизации развернутым способом
Рисунок 2 – Пример выполнения схемы автоматизации упрощенным способом
В последнем случае контур, независимо от количества входящих в него элементов, изображают в виде окружности (овала),
разделенной горизонтальной чертой. В верхнюю часть окружности записывают буквенное обозначение, определяющее измеряемый (регулируемый) параметр и функции, выполняемые данным контуром, в нижнюю — номер контура. Для контуров системы автоматизированного регулирования, кроме того, па схеме изображают исполнительные механизмы, регулирующие органы и линию связи, соединяющую контур с исполнительным механизмом. Предельные рабочие значения измеряемых (регулируемых) величин указывают рядом с графическими обозначениями контуров.
Сложные технические средства рекомендуется расчленять на отдельные технологические узлы и выполнять схемы этих узлов в виде отдельных чертежей на одном или нескольких листах.
Для технологических процессов с большим объемом операций схемы автоматизации могут быть выполнены раздельно по видам технологического контроля и управления. При расположении схемы автоматизации па нескольких листах па концах линий, переходящих с одного листа схемы па другой лист или схему, указывают наименование этих линий или присвоенные им обозначения схемы, па которой показано продолжение этих линий. Такие пояснения дают па каждом из взаимосвязанных листов или схем.
4. Общая характеристика промышленной автоматики
Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая способы и возможности построения систем управления техническими объектами с целью ограничения непосредственного участия человека – оператора в текущем процессе управления.
Производственная автоматизация (автоматика) (ПА) –совокупность средств, выполняющих определенные функции управления производственным оборудованием включающих средства индикации, сигнализации, регистрации и архивирования полученной информации. Реализуется как совокупность автономных или связанных (интегрированных) автоматизированных систем управления (АСУ) (систем автоматизации (СА)).
Промышленная автоматика (ПА) в соответствии с Государственной системой промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) – совокупность технических средств (ТС), включающих средства измерения (СИ) и средства автоматизации (СрА) промышленного назначения, предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации для контроля, регулирования и управления.
Технологический (технический, производственный) процесс (ТП) - обработка или переработка (изменение состояния, свойств, формы) сырья, материалов и полуфабрикатов в процессе производства продукции.Современная промышленная автоматика– совокупность систем программного управления (СПУ), включающих информационно-технологические (ИТ-, IT-) системы, измерительно- контролирующие, электропреобразовательные и другие средства управления оборудованием, обеспечивающая:
– повышение качества продукции,
– повышение производительности труда,
– повышение безопасности труда и оборудования,
– расширение возможностей модификации управления для повышения динамичности смены продукции,
– повышение экономичности производства,
– повышение энергоэффективности производства.
Виды систем ПА:
а)по виду основной задачи:
– управляющая - управление производственным оборудованием для получения требуемых характеристик ТП или отдельных его операций;
– контролирующая - текущий контроль (мониторинг) ТП путем постоянного или итогового измерения характеристик процесса и контроля их соответствия заданным диапазонам значений;
– обеспечивающая безопасность производства – текущий контроль состояния ТП и оборудования с целью предотвращения аварийных ситуаций путем соответствующего программно-автоматического управления, включающего сигнализацию и управление оборудованием , при выходе соответствующих характеристик ТП за допустимые пределы (например, при повышении давления выше допустимого: включает аварийные клапаны сброса этого давления, подачу аварийной сигнализации и останов оборудования, при необходимости).
Все указанные виды систем автоматики могут сочетаться друг с другом.
б)системы управления оборудованием по использованию обратных связей:
– регулирующие – управляющие с обратной связью (обычно в виде датчиков и преобразователей сигналов), характеризующей текущее состояние ТП и оборудования. Наиболее распространены и реализуют основные преимущества автоматики;
– прямого (программного) управления - без обратной связи.
в)по степени (глубине) автоматизации:
– автоматическая – функционирует по заданной программе под контролем оператора, но без его непосредственного участия в процессе управления, за исключением нештатных (не предусмотренных программой) или аварийных ситуаций,
– автоматизированная:
o при выполнении алгоритмически простых операций функционирует по заданной программе под контролем оператора,
o при выполнении более сложных или неоднозначных операций (например, выбор режимов работы по плохо формализуемым условиям), функционирует под прямым (ручным) управлением оператора через соответствующий пульт управления (человеко-машинный интерфейс (ЧМИ)).
Автоматизированная система управления (АСУ)- комплекс технических, программных, информационных, организационных и других средств, обеспечивающих рациональное автоматизированное управление сложными техническими, производственными, экономическими и другими объектами в соответствии с заданными целями.
Любая техническая система определяется макро-характеристиками:
– структурно - функциональными;
– техническими;
– эксплуатационными (исполнением).
Структурно -функциональные характеристики включают:
– описание предназначение системы и условий ее использования,
– архитектура (струтурно - функциональная схема) системы:
o состав функциональных элементов (ФЭ) и их основные функциональные характеристики,
o топология связей (взаимодействий) между ФЭ
Связь между ФЭ - направление и способы передачи другому ФЭ результатов функционирования данного (например, электрические сигналы датчиков, информационный обмен данными и т.д.).
Канал – совокупность ФЭ и связей между ними с оборудованием или другими системами. Основные виды каналов:
– измерительный – путь прохождения сигнала от датчика до СПИУ с измерительной обработкой результата;
– управляющий - путь прохождения сигнала от СПИУ до ИсУ;
– регулирующий - совокупность связанных ТП измерительного и управляющего каналов с выполнением СПИУ соответствующей программв регулирования;.
– связи (информационный) – возможность обмена данными с другими информационными средствами СА.
Описание архитектуры может быть графическим и текстовым. Дополняется уточняющими характеристиками:
– открытость – степень возможности использования в АСУ средств (аппаратных, технических, программных и др.) различных производителей;
– распределенность – степень территориальной распределенности системы).К основным техническим характеристикам системы относят:
– ресурсы (объем возможностей) системы;
– безопасность использования;
– точность – обеспечиваемая точность определения и исполнения технических характеристик (ТХ) ТП;
– своевременность – точность исполнения временных характеристик ТП;
– надежность;
– помехоустойчивость.
К основным характеристикам исполнения относят:
– условия эксплуатации (производственное или специальное (с офисными условиями) помещения, под открытым небом и т.д.), а для систем вне помещений – климатические условия эксплуатации.
– степень и способы защиты технических средств СА от воздействия внешней среды;
– особенности монтажа технических средств и линий связи;
– ремонтопригодность.
Технические характеристики существенно влияют на архитектуру (например, достаточный уровень надежности, обеспечиваемый резервированием элементов, влияет на их количество в системе, а безопасность, точность и т.д. – на соответствующие характеристики элементов системы). Все указанные основные характеристики систем ПА и составляют содержание данного курса инженерного образования.
5. Основной структурно – функциональный состав ПА
Основной функциональный состав АСУ ПА:
– датчики (сенсоры)-преобразуют свое состояние (например, включено – выключено) или воздействующую физическую величину (ФВ) (например, температуру) в электрические сигналы;
– средства ввода-преобразуют электрические сигналы датчиков в цифровые (информационные) сигналы для использования в СПИУ;
– IT- системы программно – информационного управления (СПИУ)-обрабатывают введенные информационные сигналы по записанной в память программе функционирования игенерируют соответствующие результатам обработки информационные управляющие сигналы (например, компьютер);
– средства вывода-преобразуют цифровые (информационные) управляющие сигналы СПИУ в электрические сигналы управления исполнительными и другими устройствами;
– исполнительные устройства (ИсУ)-преобразуют электрические управляющие сигналы средств вывода в технические (физические) действия, управляющие приводами или рабочими органами оборудования (например, магнитный пускатель для включения электродвигателя или тепловых электрических нагревательных элементов (ТЭНов));
– средства визуализации и управления (человеко-машинный интерфейс (ЧМИ))–визуализируют оператору данные о состоянии АСУ и преобразуют его команды в информационные сигналы для СПИУ;
– каналы информационной связи (сети) – обеспечивают обмен данными между различными СПИУ ПА и между другими средствами с коммуникационными возможностями внутри АСУ;
– источники электропитания -обеспечивают соответствующее электропитание средств ПА.
Все СПИУ ПА по существу являются компьютерами и различаются только степенью защиты от воздействия окружающей среды, габаритами, надежностью, некоторыми особенностями функционирования, и программирования. Хотя различия между видами СПИУ быстро стираются, их условно делят:
– компьютеры
– контроллеры
Компьютеры - высокоресурсные СПИУ с развитыми средствами обработки, хранения и коммуникации данных, с развитым средствами ЧМИ. По исполнению (уровню защиты от воздействия окружающей среды) делятся на:
– промышленные (ПрК) - для эксплуатации в производственных условиях;– офисные (персональные) (ПК) IT-средства) – для эксплуатации в офисных условиях.
Контроллер (промышленный) - IT- система - относительно малогабаритный надежный компьютер, с простыми для пользователя средствами программирования и управления и исполненный для целей и условий производства.
Под ИсУ далее понимаются только электромагнитные (э-м) средства:
– коммутации электроэнергии (реле, контакторы, магнитные пускаткели и т.д.);
– приводы.
Средства ввода – вывода (в-в) могут быть:
– удаленными(автономными, отдельными) с глубиной преобразования до информационного сигнала и соединяемыми с СПИУ каналами связи,
– интегрально - модульными -информационно и конструктивно объединяемыми с СПИУ через специальную коммутирующую панель (корзину) с разъемными соединителями и механическими фиксаторами;
– встроенными– выполненными с СПИУ в едином корпусе.
Датчики и исполнительные устройства могут быть интегрированы со своими индивидуальными средствами ввода или вывода и подключаться к СПУ через выделенные или общие каналы связи.
ЧМИ могут быть :– дисплейными (экранными)текстовыми или графическимис сенсорными или обычными компьютерными средствами ввода информации через экран, клавиатуру и мышь,
– щитовыми – с сигнальными кнопками, переключателями, жидкостно-кристаллическими (ЖКИ) или другими индикаторами, сигнальными светодиодами и т.д.).
6. Локальная САУ
Иерархичность объектов управления (ОУ) (аппарат, линия, цех, предприятие) порождает иерархию систем управления (PLC/DCS, SCADA, MES, ERP-системы) (рис. 3).

Рисунок 3 – Соответствие уровней объекта управления и АСУ
Несмотря на иерархию ОУ, структура взаимосвязи ОУ и САУ на основе обратной связи (ОС) будет подобна той, что представлена на рис. 4, а. Однако данная схема лишь поясняет принцип их взаимодействия. При практической реализации одноконтурная локальная САУ для объектов управления (ОУ) первого уровня (механизм, устройство, станок, машина, аппарат, агрегат и т. п.) детализируется и состоит из ряда базовых элементов (рис. 4, б):
Д – датчик (воспринимающее устройство, первичный измерительный преобразователь, сенсор) – устройство, преобразующее физическую величину (например, температуру T, давление P, расход F, концентрацию Q, массу W, скорость S и т. д.) в сигнал, удобный для передачи (электрический, гидравлический, пневматический, механический).
Рисунок 4 – Структура локальной САУ:
а – концептуальная схема взаимодействия ОУ и САУ;
б – детализированная схема локальной САУ с базовыми элементами
УУ – управляющее устройство (на практике реализуется в виде промышленного контроллера PLC (Programmer Logic Controller). Обычно в нем предусмотрены функции задания, сравнения и выработки алгоритма регулирования:
ЗУ (задающее устройство) – служит для установления заданного значения yзад управляемой переменной y. Установка производится: а) вручную, б) автоматически;
Ср (сравнивающее устройство) – сравнивает (обычно это операция вычитания, т. е. отрицательная обратная связь) текущее y и заданное значение yзад технологической переменной. В результате на его выходе формируется сигнал рассогласования Δ;
Ус (при необходимости) (усилительное устройство) – усиливает мощность сигнала рассогласования Δ. Применяются электронные, гидравлические, пневматические, магнитные усилители; алгоритм регулирования – внутри PLC вырабатывается определенный алгоритм регулирования в зависимости от объекта управления (непрерывный и/или дискретный). В первом случае отрабатывается стабилизация, неизменность состояния ОУ (стабилизация его технологических переменных), во втором – наоборот, отработки управляющих воздействий, изменяющих состояние ОУ в соответствии с заданной последовательностью действий (программное управление).
ИМ – исполнительный механизм. Обычно это силовое устройство с достаточно большой мощностью (двигатели электрические, гидравлические, пневматические, электромагнитные, поршневые устройства, муфты).
РО – регулирующий орган, механическое устройство, непосредственно воздействующее на ОУ путем изменения количественных и качественных характеристик материальных и энергетических потоков (вентили, клапаны, дозаторы, насосы, транспортеры, шнеки, вентиляторы, заслонки, шиберы, прижимные вальцы, каландры, ТЭНы, режущий инструмент и т. п.).В ряде систем управления ИМ и РО отсутствуют и регулирование переменных промышленного процесса выполняется без помощи механических устройств (например, током или напряжением).
Вовсе не обязательно, чтобы управление осуществлялось именно переменной, характеризующей входной материальный поток – все зависит от технологии процесса, т. е. объекта управления. В управлении работает связка «причина – следствие», где следствие – технологическая переменная, характеризующая качество получаемой продукции, а причина – переменная, имеющая на нее существенное предсказуемое влияние (рис. 5).
Рисунок 5 – Варианты построения структуры САУ:
а – управление переменной ОУ изменением входного материального потока; б – управление переменной ОУ изменением выходного материального потока
Переменные ОУ. Изучение вопросов управления (автоматизации) производственным процессом начинается с его исследования как объекта управления, т. е. выявления совокупности технологических переменных, достаточных для оценки (контроля) его состояния и управления. С этой целью объект (процесс) представляют в виде структурной схемы, где xn – входная переменная, которую можно измерить, но воздействовать на нее нельзя; uk – управляющая переменная, воздействуя на которую можно управлять ОУ; fm – возмущающая переменная (нагрузка) – может быть измерена, но неуправляема (значение меняется случайным образом); yl – выходная управляемая переменная (характеризуется воздействием x, u, f).ЗаключениеВ данном реферате была рассмотрена и проанализирована тема промышленная автоматика.
Так же для более полного понимания темы в реферате были включены следующие вопросы:
1. Схемы промышленной автоматики;
2. Определение промышленной автоматики;
3. Принцип работы промышленной автоматики.
Список литературы
1. Автоматизация производственных процессов в машиностроении. - М.: Высшая школа, 2015. - 416 c.;
2. Автоматизация технологических процессов / А.Г. Схиртладзе и др. - М.: ТНТ, 2013. - 524 c.;
3. Александров, С.Н. Комбикормовое производство для животноводства и птицеводства: Сырьевая база комбикормового производства; Минеральные корма; Технологические процессы производства комбикормов / С.Н. Александров, Т.И. Косова. - Москва: Машиностроение, 2013. - 192 c.;
4. Антонетти, П. МОП-БИС. Моделирование элементов и технологических процессов / П. Антонетти, Д. Антониадис, Р. Даттон, и др.. - М.: Радио и связь, 2016. - 496 c.;
5. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств. Охрана труда / П.П. Кукин и др. - М.: Высшая школа, 2016. - 336 c.;
6. Бондарук, А.М. Автоматизированные системы управления качеством в технологических процессах / А.М. Бондарук, С.С. Гоц. - М.: Уфа: Монография, 2013. - 144 c.;
7. Буйлов, Г.П. Автоматическое управление технологическими процессами целлюлозно-бумажного производства / Г.П. Буйлов. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 262 c.