Проектирование автоматизированных систем

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

















ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ









КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ



для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)»

















Омск

2008


1. Системный подход к проектированию



1.1 Системы автоматики и их классификация с точки зрения сложности



Под системой обычно понимается регулярное или упорядоченное устройство, состоящее из взаимосвязанных частей, действующих как одно целое, и предназначенное для достижения какой-либо определенной цели.

Это определение не является исчерпывающим и строгим. Известно большое число определений термина «система», обладающих той или иной степенью конкретизации. Существенно, однако, то, что термин «система» обычно связывается с такими понятиями, как элемент, структура, связь.

В общем случае системой может быть назван любой физический объект, состоящий из ряда взаимосвязанных элементов. Если состояние системы изменяется или может измениться во времени, то такая система называется динамической.

Остановимся на системе, состоящей из n элементов. В простейшем случае между элементами действуют только двусторонние связи (рис. 1, а). Очевидно, что для анализа всех связей необходимо исследовать n (n-1) связей, действующих в системе.

Для систем, состоящих из сотен и тысяч элементов, число внутренних связей растет примерно пропорционально квадрату числа элементов. Отмеченное обстоятельство определяет огромные трудности анализа сложных систем.

Системы можно классифицировать разными признаками, среди которых можно выделить два основных: сложность систем и характер их функционирования.






1



k + 1



2



k + 2



k



n

а)

б)

Системы

Детерминированные

Стохастические (вероятностные)

Простые

Сложные

Очень
сложные

Простые

Сложные

Очень
сложные

Рисунок 1 – Классификация систем



Одна из возможных классификаций систем по указанным основным признакам представлена на рисунке 1, б.

Если в детерминированных системах все элементы системы взаимодействуют точно предвиденным образом, то в вероятностных (стохастических) системах точно предсказать поведение системы невозможно и ее поведение можно определить, лишь с известной степенью вероятности. Критерий сложности систем является весьма условным.

Простыми обычно считают системы, не имеющие разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Такие системы могут содержать от 10 до 103 элементов. В простых системах отсутствуют иерархические уровни.

К сложным системам относят системы с развитой иерархической структурой и большим числом элементов и внутренних связей. Такие системы могут содержать от 101 до 107 элементов. Однако подобное определение сложных систем является весьма условным. Часто к сложным относят либо системы, которые нельзя корректно описать математически или можно описать не менее чем на двух различных математических языках (например, на языке дифференциальных уравнений и на языке алгебры логики), либо системы, для изучения которых необходимо решать задачи с непомерно большим объемом вычислений. Систему считают сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов.

Очень сложные системы часто называют большими системами.

Известен ряд определений термина «большая система», каждое из которых характеризуется той или иной степенью неопределенности.

Так, по Роберту Маколу большая система определяется семью признаками:

	Система создается человеком из различного оборудования и сырья;

	Система обладает цельностью. Все ее части служат достижению единой цели – выработке определенной продукции с помощью набора оптимизированных выходов при заданных входных воздействиях;

	Система является большой как с точки зрения разнообразия составляющих ее элементов, так и с точки зрения количества одинаковых частей, возможно, количества функций и, конечно, стоимости;

	Система является сложной. Это означает, что изменение какой-либо переменной влечет за собой изменения других переменных, причем подобная зависимость редко оказывается линейной;

	Система является полуавтоматической. Это означает, что часть функций системы выполняются автоматами, а часть – человеком;

	Входные воздействия системы имеют стохастическую природу. Отсюда появляется невозможность предсказания поведения системы для любого момента времени;

	Большинство систем и в первую очередь наиболее сложные содержат элементы конкурентной ситуации.

Согласно определению, данному Петровым Б.Н. и Поспеловым Г.С. большим системам управления, состоящим из объекта управления и управляющих систем, связанных каналами передачи информации, присущи следующие пять признаков:

	Система управления имеет иерархическую структуру и представляет собой комплекс подсистем управления различных рангов (рис. 2, а). При этом выпадение или отказ какой-либо подсистемы или части подсистем не всегда приводит к отказу или распаду всей системы, а иногда только к снижению эффективности ее функционирования;

	



Система

1

2

…

n









Подсистема
1-го ранга

Подсистема
2-го ранга

Подсистема
m-го ранга

а)



Замысел

Разработка (проек-тирование)

Изготовле-ние (произ- водство)



Эксплуа-тация

Снятие с эксплуата-ции

б)

Рисунок 2 – Структура и основные этапы развития систем

	

	Органы управления (управляющие системы) подсистем и всей системы организованы по иерархическому принципу, т.е. представляют собой коллективы, функционирующие во главе с руководителями разных рангов;

	Главнейшие функции управления, планирования, оценки ситуаций или складывающейся обстановки и принятие решений осуществляются непосредственно коллективами управляющих систем;

	Организованные коллективы органов управления предопределяют у всей системы в целом, как и у любого социального организма, существование в той или иной степени свойств адаптации и самоорганизации;

	В органах управления различных рангов применены вычислительные машины для оптимизации принимаемых решений и для преобразования и переработки потоков информации. Вычислительные машины органов управления старших и младших рангов связаны специальными каналами связи.

Приведенные признаки в основном адресованы к специально организованным для целей управления и принятия решений коллективам людей, однако они сохраняют силу и для чисто автоматических технических систем переработки информации.

Большие системы обладают следующими основными свойствами:

	Незначительные изменения во внешней среде могут вызвать в этих системах процессы, несоизмеримые по своим масштабам с породившими их изменениями;

	Процессы разработки, конструирования и изготовления этих систем занимают большое количество времени (обычно несколько лет) и требуют привлечения больших коллективов специалистов в различных областях техники;

	Большинство этих систем должно обладать свойствами адаптации и самоорганизации. Другими словами – структура этих систем изменяется, причем изменения далеко не всегда могут быть предсказаны;

	Функционирование систем преследует определенную, независящую от них цель, и эта цель может изменяться в процессе эволюции внешней среды.



1.2 Основные этапы жизни системы



Любая техническая система возникает не сразу и проходит этапы развития, основные из которых показаны на рисунке 2, б. Следует иметь в виду, что замысел или первоначальная концепция новой сложной системы никогда не возникает в законченном и отработанном виде. В этом смысле замысел новой системы отличается от ее конечного воплощения, так же как человеческий эмбрион от сформировавшегося человека.

В процессе проектирования новая система должна быть отражена (спроектирована) на бумаге. Иными словами должна быть разработана и выпущена техническая документация, по которой проектируемая система может быть изготовлена в промышленных условиях.

Затем должны быть изготовлены опытные образцы, которые необходимо проверить (испытать).

С этой целью этап проектирования включает не только выпуск технической документации, но и тщательную теоретическую и экспериментальную отработку образцов. Для этого этап проектирования включает в себя изготовление единичных и опытных образцов, обеспечивающее с одной стороны, проведение необходимых экспериментальных работ, а с другой стороны, служащее для отработки технической документации и технологии изготовления системы.

Испытания на этапе проектирования охватывают как моделирование и лабораторные исследования, так и испытания в условиях, приближающихся к условиям эксплуатации (натурные испытания).

В идеальном случае производство (серийное производство) сложных систем для нормальной эксплуатации осуществляется по тщательно отработанной на этапе проектирования технической документации.

Однако в силу того, что технология серийного производства, как правило, отличается от технологии опытного производства, осуществляемого на этапе проектирования, а также вследствие того, что на этапе отработки, как правило, в неполной мере учитываются статистические характеристики комплектующих систему элементов, в процессе серийного производства неизбежна доработка технической документации, осуществляемая с привлечением проектировщиков.

Одной из основных задач проектировщиков на этапе производства является разработка методов оптимизации производства и повышения его эффективности.

Поскольку эксплуатация с точки зрения потребителей системы является основным этапом ее жизни, то усилия проектировщиков направлены на то, чтобы обеспечить безусловное выполнение системой заданных технических характеристик.

С этой целью на этапе проектирования разрабатываются методы и технические средства обслуживания системы.

Они, как правило, включают системы контроля и восстановления технического состояния эксплуатируемой сложной системы. В силу изложенного снятие с эксплуатации системы связано с ее моральным старением и неэффективностью ее дальнейшей эксплуатации.



1.3 Задачи проектирования



Проектирование систем представляет собой высокоинтеллектуальное занятие, творчество, требующее применения разнообразных знаний. Задачей инженерного проектирования является разработка, при некоторых ограничениях, обусловленных способом решения, систем (элементов, процессов), обеспечивающая оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на решение.

Как следует из рисунка 3, основными ограничениями, помимо физических, являются: наличие знаний (навыков), в том числе технологических, наличие необходимых материалов и комплектующих элементов и устройств, возможности имеющегося лабораторного и производственного оборудования, имеющаяся вычислительная техника и сроки проектирования.

На последнем ограничении следует остановиться особо. При современных, все ускоряющихся темпах научного и технического прогресса предельное сокращение сроков проектирования становится одним из главных требований к процессу проектирования.

Действительно, при увеличении сроков проектирования, новизна и оригинальность решений, используемых в проекте, теряются. Еще не будучи осуществленным, проект может морально устареть и потерять смысл. Поэтому быстротечность процесса проектирования, иными словами динамика этого процесса, становится одной из главных его характеристик.

Важнейшей задачей проектирования является разработка и отработка полного комплекта технической документации на систему. Эта документация, с одной стороны, должна обеспечивать возможность промышленного изготовления системы, отвечающей заданным требованиям, и, с другой стороны, – обеспечивать надежную эксплуатацию системы в заданных условиях.






Ограничения при проектировании

Ограничения, обусловленные методом проектирования

Уровень знаний

Сроки проектирования

Возможности имеющегося лабораторного 
оборудования

Ограничения на результат проектирования

Физические ограничения

Наличие материалов и комплектующих элементов

Наличие и технический уровень производственного оборудования

Уровень производственных навыков

Возможности имеющейся вычислительной техники и программного обеспечения

Рисунок 3 – Ограничения при проектировании систем



В результате проектирования выпускается большой объем технической документации, состав которой в нашей стране определяется системой ГОСТов.

Эти ГОСТы можно условно разделить на три группы:

	стандарты на правила разработки и классификации конструкторских документов;

	стандарты на правила выполнения и оформления конструкторских документов;

	стандарты на правила обращения и использования конструкторских документов.

Техническую документацию, выпускаемую в процессе проектирования, подразделяют на следующие категории:

	схемную;

	конструкторскую;

	монтажную;

	текстовую;

	технологическую;

	эксплуатационную.

Если схемная, конструкторская, монтажная и текстовая документации являются отражением идей и принципов, заложенных в систему при ее проектировании, и отвечают на вопрос, что должно быть изготовлено, то технологическая документация дает представление о методах и средствах изготовления системы.

Эксплуатационная документация, как правило, включает в себя основные документы схемной, конструкторской и текстовой документации и должна обеспечивать грамотную эксплуатацию системы.



1.4 Условия эксплуатации систем и их влияние на процесс проектирования



Системы автоматики эксплуатируются в условиях воздействия на них различных факторов, из которых можно выделить две группы: объективные, определяемые средой, и субъективные, определяемые обслуживанием системы (рис. 4).






Рисунок 4 – Эксплуатационные факторы, воздействующие на системы



В зависимости от особенностей применения системы автоматики подразделяют на: стационарные, наземные, автомобильные, судовые (корабельные), авиационные, космические и т.п.

Естественно, что условия эксплуатации, а следовательно, и требования к системам будут различными для каждого из перечисленных видов. Так, например, системы стационарного типа не будут испытывать механических перегрузок, столь характерных для систем нестационарного типа (автомобильной, авиационной и т.п.). Могут при этом существенно отличаться и климатические условия эксплуатации.

В зависимости от временного режима различают системы разового действия, дежурные системы и системы непрерывного действия. Если системы разового действия используются по своему целевому назначению только 1 раз, то дежурные системы характеризуются многоразовым действием.

Режим работы дежурных систем включает в себя как период ожидания (дежурства), так и период использования по прямому назначению (рабочий режим). Примером подобных систем может быть система слепой посадки самолетов.

Системы непрерывного действия используются по своему целевому назначению непрерывно в течение всего заданного срока эксплуатации. Примером последних могут быть системы управления непрерывными процессами, такими как металлургические, нефтехимические и т.п.

Системы автоматики в зависимости от условий эксплуатации подразделяют также на обслуживаемые, когда в процессе эксплуатации возможно проведение профилактических и ремонтных работ, и необслуживаемые.

Среди внешних факторов воздействия, прежде всего, следует выделить климатические, оказывающие наибольшее влияние на системы.

Остановимся кратко на характеристике климатических условий эксплуатации систем.

Температура окружающего воздуха +20 °С принимается нормальной. Однако даже на территории только Российской федерации температура воздуха на поверхности земли может изменяться от -52 °С до +40 °С. Еще более высокая температура – до +58 °С отмечается в Африке, а более низкая – до -87 °С в Антарктиде. Также существенно изменяется температура воздуха с увеличением высоты над уровнем моря.

Влажность воздуха изменяется также в широких пределах. Абсолютная влажность на уровне земли колеблется от 0,1 г/м3 в полярных районах до 30 г./м3 в тропиках. Обычно влажность воздуха выражают в относительных единицах, при этом нормальной относительной влажностью воздуха считают 65%.

Во влажных тропиках (например, в Восточной Индии и Бирме) относительная влажность достигает 98% при температуре до +40 °С.

Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. (1,01∙105 Па). Вблизи поверхности Земли атмосферное давление непрерывно изменяется. Зафиксированное минимальное давление на уровне моря составило 
684 мм рт. ст. (0,91∙105 Па), а максимальное – 807,7 мм рт. ст. 
(1,08∙105 Па). Изменение атмосферного давления также существенно зависит от высоты объекта над уровнем моря.

Ветровые нагрузки создаются движением воздушной среды и изменяются в широких пределах. Так, у поверхности Земли, скорость движения воздушной среды (ветра) изменяется от 0 до 200 км/ч. С ростом высоты увеличивается скорость ветра, достигая максимума в районе тропопаузы и уменьшаясь в стратосфере.

На больших высотах наблюдаются узкие пояса, в которых господствуют ветры со скоростью до 400 км/ч и более (так называемые струйные течения).

Вода, выпадающая в виде атмосферных осадков, содержит неорганические и органические частицы. В приморских зонах особенно характерны примеси хлористого натрия, а в тропических – повышенное содержание азотной кислоты. Снег содержит больше азотистых соединений, чем дождь.

Солнечная радиация может вызвать сильный нагрев незащищенных элементов конструкции систем. Плотность потока солнечной энергии, достигающая земной поверхности, изменяется от 0,91 до 1,4 кВт/м2 в зависимости от поглощающей способности атмосферы и сосредоточена в основном в области длин волн 0,2 … 0,5 мкм.

Опасны для работоспособности систем пыль и песок. Проникая в подвижные части, они вызывают повреждения. Кроме, того, пыль способствует увеличению электростатических зарядов, что приводит к росту помех, а в отдельных случаях к взрывам.

К наиболее характерным факторам воздействия биологической среды на конструкции систем относятся грибковые образования (плесень), особенно интенсивно развивающиеся при повышенной влажности неподвижного воздуха (более 85%) и температуре от 20 до 30 °С.

Некоторые виды насекомых, например термиты, обитающие в основном в жарких и сухих зонах, пожирают органические материалы, особенно изоляционные. В этом же отношении опасны и грызуны, любящие поедать изоляцию коммуникационных линий.

В высоких слоях атмосферы может иметь место ионизация воздуха, в результате чего возрастает его электропроводность, что может привести к нарушению работоспособности системы.

Значительное влияние на работу систем оказывает радиоактивное излучение. Это влияние особенно сильно проявляется на материалы кристаллической структуры, воздух, изоляцию, стекло и электролиты.

Смещение атомов в кристаллической решетке при облучении быстрыми нейтронами нарушает нормальную работу германиевых и кремниевых диодов, транзисторов, фотосопротивлений и термисторов.

Ядерное излучение изменяет, прежде всего, величину начального коллекторного тока транзисторов и значение коэффициента усиления. Маломощные высокочастотные транзисторы подвержены влиянию различных видов радиации значительно меньше, чем низкочастотные и мощные.

Радиация ионизирует воздух, уменьшает проводимость между точками монтажа и может нарушить нормальную работу систем.

Параметры р-n-р транзисторов изменяются при облучении в большей степени, чем параметры аналогичных n-р-n транзисторов.

Германиевые транзисторы более стабильны при воздействии радиации, чем кремниевые.

Механические воздействия – ускорения, вибрации и удары, могут действовать как отдельно, так и в совокупности.

При транспортировке по железной дороге из-за биения колес о стыки рельсов возникает вибрация с частотой до 100 Гц при ускорении до 
20 м/с2. Частота этой вибрации может накладываться на основную частоту колебаний (2 … 3Гц).

Вибрации на кораблях вызываются как винтами, так и гидродинамическими силами, действующими на корпус и надстройки. Основная вибрация вызывается винтами с частотой, определяемой частотой вращения гребного вала (частотой вала), а также частотой колебаний лопастей винта (т.е. частотой вала, умноженной на число лопастей винта). Амплитуда вибраций на частоте вала обычно высокая, а частота низкая и ограничивается, как правило, диапазоном 0…5 Гц. На большинстве военных кораблей амплитуда продольных вибраций корпуса максимальна на корме и носу и резко снижается к центру корпуса. Амплитуда поперечных вибраций значительно меньше, чем продольных, за исключением верхушек мачт, дымовых труб, антенн и мостиков.

Влияние вибраций на самолетах также зависит от положения аппаратуры систем автоматики. Обычно на самолете можно выделить три основных участка, различающихся вибрационными нагрузками:

корпуса и обтекатели двигателей;

зона, примерно от середины крыла до его кончика;

остальные элементы корпуса.

На участках 1 и 3 частота вибраций лежит в пределах от 3 до 150 Гц с амплитудой от 0,075 до 2 мм на участке и до 2,5 мм на участке 3. Основным источником вибраций на участке 2 являются двигатели. Частота ее составляет обычно от 10 до 500 Гц с амплитудой от 0,025 до 0,037 мм.

Вибрации на ракетах имеют сложный характер и являются результатом совместного воздействия ракетного двигателя и аэродинамических нагрузок. Если для мощных жидкостных ракетных двигателей предельные частоты достигают сотен герц, то для твердотопливных двигателей – до 2000 Гц при ускорении до 200 м/с. Постоянные ускорения при работе ракетного двигателя достигают 
50…150 м/с2 для больших ракет-носителей и 250…500 м/с2 для малых твердотопливных ракет.






2. Стадии и этапы проектирования систем автоматизации управления



2.1 Этапы проектирования



Весь процесс проектирования систем управления можно разделить на 10 этапов:

		Формулирование цели, оценка реализуемости, согласование технического задания.

		Выбор пути решения.

		Определение структуры системы, выбор технических средств.

		Инженерный анализ и оптимизация.

Этапы с 1 по 4 иногда называют предварительным проектированием, которое проводится с целью определения принципов построения системы, изыскания новых принципов, структур и технических средств, удовлетворяющих заданному техническому заданию. Предварительное проектирование, как правило, относят к стадии научно-исследовательской работы (НИР). На этих этапах привлекаются наиболее квалифицированные специалисты в соответствующих областях.

		Разработка технической документации.

		Разработка методов изготовления и технологической документации.

		Изготовление экспериментальных образцов.

Этапы с 5 по 7 называют также эскизным проектированием, его относят к стадии опытно-конструкторской разработки (ОКР). Результатом эскизного проекта является детальная проработка возможности построения системы, удовлетворяющей поставленным требованиям.

		Испытания, отработка технической документации.

Этап 8 называют техническим (рабочим) проектированием, при этом производится детальная отработка схемных, конструкторских и технологических решений.

		Серийное производство.

В процессе серийного производства осуществляются окончательная доводка принятых технических решений и отработка технологии изготовления с учетом особенностей серийного производства.

		Эксплуатация.

В процессе эксплуатации проектировщик системы получает информацию, позволяющую внести необходимые изменения с целью доведения параметров системы до заданных значений.



2.2 Организация проектирования



Проектирование систем представляет собой сложный многоплановый (многошаговый) процесс, требующий непосредственного участия специалистов различной квалификации. Один из возможных вариантов организационной структуры аппарата руководителя разработки (Руководителя проекта, Главного конструктора) системы изображен на рисунке 5.










Подразделение структур (ПС)



Вычислитель-ный центр (ВЦ)

Головное подразделение (ГП)

Подразделение технических средств (ПТС)

Отдел надежности (ОН)

Отдел испытаний (ОИ)

Плановый отдел 
(ПО)

Технологиче-ское подраз- деление (ТП)

Конструктор-ское бюро 
(КБ)

Бюро техничес-кой докумен-тации (БТД)

Технический отдел 
(ТО)

Отдел научно-технической информации (ОНТИ)



Руководитель проекта

Опытное производство
(ОП)

Метрологичес-кая служба (МС)

Отдел материало-ведения (ОМ)

Макетное производство
(МП)

Рисунок 5 – Вариант аппарата руководителя проекта системы



Руководитель проекта осуществляет руководство разработкой, определяя как техническое направление в целом, так и отдельные технические решения.

Проектированию системы предшествует этап поиска предварительных технических решений и согласования технического задания (ТЗ) на проектирование с заказчиком. Этот этап требует усилий наиболее квалифицированных специалистов. Здесь следует указать на довольно объемные работы, проводимые по анализу современного состояния и научно-технических достижений в области проектируемых систем. Эти работы проводятся Головным подразделением (ГП) в тесном контакте с подразделениями структур (ПС), технических средств (ПТС), конструкторским бюро (КБ) и отделом научно-технической информации (ОНТИ).

ГП осуществляет разработку структуры системы, ее приборного состава, общей схемы и технических условий. Также ГП разрабатывает частные ТЗ на проектирование системы и ее составляющих и выдает их, после согласования и утверждения с Руководителем проекта, подразделениям ПС и ПТС.

ПС осуществляет анализ и синтез структуры системы и ее подсистем, их моделирование и оптимизацию с привлечением вычислительного центра (ВЦ).

ПТС производит анализ и выбор технических средств, разработку схем, их моделирование и оптимизацию. Здесь, как и при синтезе структур, широко используется ВЦ.

Существенные усилия при проектировании затрачиваются на обеспечение надежной работы системы. Это достигается как выбором оптимальных структур, так и наилучших (по надежности) технических средств, что достигается работой отдела надежности (ОН).

Большое внимание уделяется обеспечению заданных требований по точности и стабильности работы системы, что в большинстве случаев связано с необходимостью проведения специальных исследований рабочего процесса системы или ее подпроцессов. Точность измерений, при проведении таких исследований, обеспечивает метрологическая служба (МС).

При выборе технических решений значительное внимание уделяется технологичности и экономичности системы, при этом учитываются как стоимость ее разработки и изготовления, так и затраты на эксплуатацию. Данный процесс сопровождается специалистами технологического подразделения (ТП).

ГП подготавливает ТЗ на конструирование и после согласования его с Заказчиком и утверждения Руководителем проекта передает в КБ.

ТЗ на конструирование составляющих систему приборов (блоков, узлов) в таком же порядке выдаются ПТС в КБ.

ТЗ на конструирование обязательно включают
в себя различные схемы и спецификации.

КБ разрабатывает основную конструкторскую (текстовую и чертежную) документацию; ведомость покупных изделий составляется на основании спецификаций и согласовывается с техническим отделом (ТО). Предметом согласования, при этом, является допустимость применения тех или иных комплектующих изделий с позиций наличия необходимой
технической документации, обеспеченности материалами и их поставками, соответствия технических требований на комплектующие изделия техническим условиям на систему.

Габаритные чертежи и чертежи общих видов КБ согласовывает с ПС и ПТС па соответствие их техническим заданиям на конструирование.

Рабочие чертежи согласовываются КБ с ТП. Поскольку КБ с начала проектирования выдает ТП задание на проектирование технологической документации, а также технологического процесса изготовления системы и составляющих ее приборов, блоков, узлов и соответствующей технологической оснастки, то при согласовании особое внимание уделяется увязке разработанных конструкций с проектируемой технологической документацией.

Наряду с выдачей технических заданий на конструирование как ПС, так и ПТС выпускается большой объем текстовой документации: частные технические условия, технические формуляры или паспорта, инструкции по регулировке, эксплуатации, а также составляются технические описания.

Обычно одновременно с выдачей технических заданий на конструирование как ПС, так и ПТС выпускаются карты режимов комплектующих изделий. Эти карты анализируются отделом надежности ОН с целью определения и гарантии необходимых запасов по надежности. Помимо этого ОН разрабатываются типовые программы испытания макетных образцов системы и ее составляющих, по которым ПС и ПТС выпускаются программы испытаний как системы в целом, так и составляющих ее приборов, блоков, узлов.

По технической документации, выпущенной КБ (в том числе эскизной), в макетном производстве МП изготовляют макетные образцы системы, которые подвергаются тщательным исследованиям:

	на соответствие заданным внешним характеристикам (в ГП);

	на соответствие точностным характеристикам (в МС с участием ГП и ПТС);

	на сохранность заданных статических и динамических характеристик в различных эксплуатационных условиях (в отделе испытании (ОИ) с участием ГП и ПТС);

	надежности (в ГП, ПС и ПТС с участием ОН)

Результаты этих исследований тщательно анализируются в ГП с привлечением ПС, ПТС, ОН и ОИ и докладываются Руководителю проекта. По материалам анализа Руководителем проекта принимаются решения о необходимости доработки системы и коррекции технической документации.

Техническая документация, разрабатываемая ГП ПС и ПТС передается в КБ, где производятся комплектование документации, введение ее в сводную спецификацию и передача подлинников в бюро технической документации (БТД). Подлинники технической документации хранятся в архиве БТД, и изменения ее производятся только по распоряжениям, выпускаемых ГП, ПС, ПТС и КБ и утверждаемых Руководителем проекта.

В БТД производится снятие копий или тиражирование (распечатка с электронных носителей информации) с подлинников технических документов и обеспечение копиями как МП, так и КБ, ГП, ПС ОН, ОИ, ОП и т.д. Так как проектирование систем во многих случаях связано с исследованием и разработкой новых материалов: конструкционных, электротехнических и др., то решение задачи выбора этих материалов, либо разработки новых, а также выдачи рецептур и технологических приемов их обработки ложится на отдел материаловедения (ОМ).

Технологические задания на решения перечисленных задач выдаются обычно ГП и ПТС и совместно с КБ и ТП.

Обеспечение заданных характеристик, особенно точностных невозможно без четко налаженной метрологической службы (МС), осуществляющей как метрологическую экспертизу проекта системы, так и проверку измерительных приборов и средств, используемых как при лабораторных, комплексных, так и при приемно-сдаточных испытаниях системы.

Для проведения комплексных испытаний в ОИ создаются стенды, имитирующие по возможности реальные условия эксплуатации системы.

Однако в силу сложности создания подобных условий обычно ограничиваются определенным уровнем приближения и те характеристики, которые невозможно оценить в стендовых условиях исследуются в ОИ, либо при проведении натурных испытаний.

Поскольку осуществление сложного процесса проектирования немыслимо без четкого планирования работ, то плановым отделом (ПО) составляются как общие графики работ по разработке системы, так и частные графики на отдельные этапы разработки составляющих систем.

При планировании работ приобретают важное значение, как своевременный контроль выполнения работ, так и оперативное внесение корректив в графики работ.

Игнорирование этого простого правила приводит к существенным срывам сроков проектирования и, в конечном итоге, порождает желание значительно ускорить разработку системы, за счет упразднения некоторых элементов проектной системы (например: ОН, ОИ, ОМ и т.п.), что пагубно отражается на качестве конечного продукта – разрабатываемой системы.

Если на этапе эскизного проектирования во многих случаях ограничиваются макетным производством, то на этапе технического проектирования к изготовлению аппаратуры системы привлекается опытное производство (ОП), располагающее достаточно большими производственными возможностями. В случае невозможности производства опытного образца (существенные размеры, дорогие или уникальные технологии и т.п.), используют модельные и косвенные испытания.



2.3 Задание на проектирование, исходные данные и материалы



Задание на проектирование систем автоматизации технологических процессов составляется генеральным проектировщиком или заказчиком с участием специализированной организации, которой поручается разработка проекта.

Задание на проектирование должно содержать следующие данные:

	наименование предприятия и задачу проекта:

	основание для проектирования;

	перечень производств, цехов, агрегатов, установок, охватываемых проектом систем автоматизации, с указанием для каждого особых условий при их наличии (например, класс взрыво- и пожароопасности помещений, наличие агрессивной, влажной, сырой, запыленной окружающей среды и т.д.);

	стадийность проектирования;

	требования к разработке вариантов технического проекта;

	планируемый уровень капитальных затрат на автоматизацию и примерных затрат на научно-исследовательские работы, опытно-конструкторские работы и проектирование с указанием источников финансирования;

	сроки строительства и очередности ввода в действие производственных подразделений предприятия;

	наименование организаций-участников разработки проекта предприятия (объекта) и систем автоматизации: генпроектировщика, головного научно-исследовательского института по системам автоматизации, организаций-исполнителей смежных (строительной, сантехнической и пр.) частей проекта и др.;

	предложения по централизации управления технологическими процессами и структуре управления объектом, по объему и уровню автоматизации;

	предложения по размещению центральных и местных пунктов управления, щитов и пультов (диспетчерских, цеховых, агрегатных и др.);

	особые условия проектирования.

Для выполнения проектов систем автоматизации должны представляться следующие исходные данные и материалы:

	технологические схемы с характеристиками оборудования, схемами и чертежами трубопроводных коммуникаций, с обязательным указанием действительных внутренних диаметров, толщин стенок и материалов труб;

	перечни контролируемых и регулируемых параметров с необходимыми требованиями и характеристиками;

	чертежи производственных помещений с расположением технологического оборудования и трубопроводных коммуникаций, с указанием рекомендуемых мест расположения щитов и пультов (планы и разрезы);

	чертежи технологического оборудования, на котором предусматривается установка приборов и средств автоматизации, перечень и характеристика поставляемых комплектно с оборудованием приборов, средств автоматизации и систем управления, чертежи комплектно поставляемых щитов, пультов и т.д.;

	строительные чертежи помещений для установки и размещения технических средств систем автоматизации;

	схемы управления электродвигателями, типы пусковой аппаратуры и станций управления для использования при проектировании систем автоматизации;

	схемы водоснабжения с указанием диаметров труб, расхода, давления и температуры воды в них;

	схемы воздухоснабжения с указанием давления, температуры, влажности и запыленности воздуха, наличия устройств очистки и осушки воздуха;

	данные, необходимые для расчета регулирующих органов, сужающих устройств и заполнения опросных листов;

	требования к надежности создаваемых систем автоматизации;

	результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, содержащие рекомендации по проектированию систем и средств автоматизации. Эти результаты должны содержать математическое описание динамических свойств объекта управления. Если эти математические зависимости неизвестны, то в задании на проектирование должны приводиться экспериментальные временные или частотные характеристики, снятые на опытных или аналогичных действующих установках, графически отражающие динамические свойства объекта по каждому из каналов управления;

Для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в составе технического задания на проектирование должны приводиться данные предпроектных разработок, определяющих основные принципы построения АСУ ТП: иерархию АСУ, ее структуру и функции, алгоритмы и т.п.;

	техническая документация по типовым проектам и проектным решениям;

	дополнительные данные и материалы, которые могут потребоваться исполнителю в процессе проектирования.



2.4 Стадии проектирования и состав проектной документации



Проектирование систем автоматизации технологических процессов выполняют в две стадии: проект и рабочая документация или в одну стадию: рабочий проект.

В составе проекта разрабатывается следующая документация:

	структурная схема управления и контроля (для сложных систем управления);

	структурная схема комплекса технических средств (КТС);

	структурные схемы комплексов средств автоматизации;

	функциональные схемы автоматизации технологических процессов. Для объектов с несложным технологическим процессом и простыми системами автоматизации допускается вместо функциональных схем автоматизации составлять перечни параметров контроля, регулирования, управления и сигнализации;

	планы расположения щитов, пультов, средств вычислительной техники и т.д.;

	заявочные ведомости приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, нестандартизированного оборудования;

	технические требования на разработку нестандартизированного оборудования;

	локальная смета на монтажные работы, приобретение и монтаж технических средств систем автоматизации;

	пояснительная записка, содержащая краткое описание, принятых в процессе проектирования решений;

	задания генпроектнровщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта:

	на обеспечение средств автоматизации электроэнергией, сжатым воздухом, гидравлической энергией, теплоносителями, хладагентами (требуемых параметров); на теплоизоляцию трубных проводок и устройств;

	на проектирование помещений систем автоматизации (для установки щитов, пультов, средств вычислительной техники, датчиков и т.д.), а также помещений для работы оперативного персонала, кабельных сооружений (туннелей, каналов, эстакад и т.д.), проемов и закладных устройств в строительных конструкциях;

	на обеспечение средствами производственной связи;

	на размещение и установку на технологическом оборудовании и трубопроводах закладных устройств, первичных приборов, регулирующих и запорных органов и т.п.;

	на устройства пожаротушения и пожарной сигнализации.

Перечисленные задания к проекту не прикладываются, а передаются генпроектировщику (заказчику) в процессе проектирования для согласования и исполнения. Копии заданий хранятся в деле проекта.

На стадии рабочей документации разрабатываются:

	структурная схема управления и контроля;

	структурная схема комплекса технических средств;

	структурные схемы комплексов средств автоматизации;

	функциональные схемы автоматизации технологических процессов.

При двухстадийном проектировании структурные и функциональные схемы на стадии рабочей документации разрабатываются с учетом изменений технологической части или решений по автоматизации, принятых при утверждении проекта. В случае отсутствия таких изменений упомянутые чертежи включаются в состав рабочей документации без переработки;

	принципиальные электрические, гидравлические и пневматические схемы контроля, автоматического регулирования, управления, сигнализации и питания;

	общие вилы щитов и пультов;

	монтажные схемы щитов и пультов или таблицы для монтажа электрических и трубных проводок в щитах и пультах;

	схемы внешних электрических и трубных проводок. При необходимости рекомендуется разрабатывать таблицы соединений и таблицы подключения;

	кроссовые ведомости (таблицы подключения).

Допускается выполнять вместо кроссовых ведомостей монтажные схемы (схемы подключения) кроссовых шкафов для вычислительных (управляющих) комплексов, машин централизованного контроля и других технических средств;

	планы расположения средств автоматизации, электрических и трубных проводок;

	нетиповые чертежи установки средств автоматизации;

	общие виды нестандартизированного оборудования [кроме сложного оборудования, по которому в составе проекта приведены задания генпроектировщику (технические требования) на его разработку] в объеме, необходимом для выполнения работ при реализации проекта;

	пояснительная записка;

	расчеты регулирующих дроссельных органов.

В рабочей документации даются таблицы исходных данных и результаты расчетов в виде приложений к пояснительной записке.

Тексты расчетов в состав проекта не включаются, а хранятся у исполнителя проекта и выдаются заказчику по его требованию.

В рабочей документации целесообразно также давать расчеты по выбору регуляторов и определения примерных значений их параметров настройки при различных технологических режимах работы оборудования. В составе расчетных материалов необходимо приводить данные из задания на проектирование по результатам научно-исследовательских работ, знание которых полезно при производстве наладочных работ смонтированного объекта;

	заказные спецификации приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, щитов и пультов, трубопроводной арматуры, кабелей и проводов, основных монтажных материалов и изделий (трубы, металлы, монтажные изделия), нестандартизированного оборудования;

	перечень типовых чертежей на установку средств автоматизации (типовые чертежи к проекту не прикладываются);

	уточненные задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта: при отсутствии изменений и уточнений подтверждаются задания, выданные на стадии проекта.

В состав рабочего проекта при одностадийном проектировании входят:

	техническая документация, разрабатываемая в составе рабочей документации при двухстадийном проектировании;

	локальная смета на оборудование и монтаж;

	задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на работы связанные с автоматизацией объекта.

В тех случаях, когда часть приборов и средств автоматизации, проводок между ними, локальных систем автоматизации поставляется комплектно с технологическим оборудованием, проектные материалы на них находят свое отражение в чертежах рабочей документации и заказных спецификациях в указанном выше объеме с соответствующей оговоркой об их комплектной поставке. Документация заводов-поставщиков должна быть переработана в соответствии с требованиями по проектированию систем автоматизации, ее оформлению и комплектации.

Допускается функциональные схемы автоматизации совмещать с технологическими (монтажно-технологическими) схемами, разрабатываемыми в основных комплектах технологического проекта объекта. При этом такая совмещенная схема должна быть приложена к основному комплекту проекта автоматизации.

Принципиальные электрические, пневматические и гидравлические схемы контуров контроля и регулирования допускается не включать в состав основного комплекта рабочих чертежей, если взаимные связи приборов и аппаратуры, входящие в состав этих контуров, просты или однозначны и могут быть с достаточной полнотой отображены в других схемах. Например: цепи измерения электрические и пневматические на стандартных приборах без включения в них дополнительных неприборных устройств (резисторов, делителей, емкостей, катушек индуктивности и т.д.), термоэлектрический термометр – милливольтметр; термометр сопротивления – многоточечный мост; датчик – вторичный прибор; одноконтурные пневматические системы автоматического регулирования.

Вид документа для отображения направления и подключения электрических и трубных проводок (схема или таблицы) принимают, исходя из следующих рекомендаций:

	для трубных проводок предпочтительным документом является схема, для электрических – самостоятельные таблицы соединений и подключения;

	для сложных электрических соединений (например, для АСУ ТП), кроме таблиц соединений, необходимо выполнять упрошенную схему соединений, в которой отображается структура электрических связей. Сведения, содержащиеся в таблице соединений (марки и длины кабелей, тип и номер вводного устройства и т.п.), на схеме соединений не приводят.

Техническая документация комплектных технических средств автоматизации разрабатывается с учетом специфики примененных в рабочей документации конкретных комплектов. Состав этой документации определяется отраслевыми нормативными документами.

Так, для щитов и пультов систем автоматизации в состав документации включают:

	общие виды составных и единичных щитов и пультов;

	таблицы соединений и подключения единичных щитов и пультов:

	спецификацию щитов и пультов.

Для комплектов технических средств операторских и диспетчерских помещений, в которые кроме щитов и пультов включаются защитные конструкции (стойки, штативы. щиты зажимов и т.п.), а также электрические и трубные приводки (штатные кабели и трубы, несущие и опорные конструкции), в состав документации дополнительно включают:

	план расположения технических средств в операторском помещении;

	схемы (таблицы) соединений и подключения проводок операторского помещения;

	спецификацию комплекта.

При применении в рабочей документации комплексов технических средств локальных информационно-управляющих систем, агрегатных пневматических комплексов, комплексов вычислительных средств в состав рабочей документации включают общие виды тех стоек и пультов, в которых набор конкретных составляющих элементов (блоков, модулей, мнемосхем) определяется характером управляемого технологического процесса или оборудования.

Для аппаратурных стоек общий вид может содержать только схему расположения блоков или модулей в стойке.

Чертежи конструкций и деталей, предназначенных для установки приборов и средств автоматизации, могут не разрабатываться, если эти детали приведены в типовых чертежах установки технических средств автоматизации.






3. Структурная схемная проектная документация



3.1 Структура автоматизированных систем



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

Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними Графическое изображение структуры управления называется структурной схемой. Хотя исходные данные для выбора структуры управления и ее иерархии с той или иной степенью детализации оговариваются заказчиком при выдаче задания на проектирование, полная структура управления должна разрабатываться проектной организацией.

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

В самом общем виде структурная схема системы автоматизации представлена на рисунке 6. Система автоматизации состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом. Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и системой управления, система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующийся параметрами x1, х2, …, xn.

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







Объект



Система управления

y1

y2

·  ·  ·

yj

x1

x2

xn

·  

·

·

·  

·

·

·  

·

·

·  

·

·

1

2

m

f1

f2

·  ·  ·

fi

g1

g2

·  ·  ·

gk

Рисунок 6 – Структурная схема системы автоматизации



Кроме этих основных параметров, работа комплексного объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных параметров 
y1, y2,…, yj, которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными). К такого рода параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие работу установок подготовки технологического пара, насосных станций оборотного водоснабжения и т.д. От этих установок требуется только подача на вход технологической установки сырья и энергоносителей с заданными параметрами. При этом необходимая дозировка подачи сырья и энергоносителей осуществляется средствами управления, относящимися к технологической установке.

В процессе работы на объект поступают возмущающие воздействия f1, f2,…, fi вызывающие отклонения параметров x1, х2,…, хn от их требуемых значений. Информация о текущих значениях x1, х2,…, хn; y1, y2,…, yj, поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значениями g1, g2,…, gk, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воздействия 1, 2,…, m для компенсации отклонений выходных параметров от их заданных значений.

Таким образом, объект автоматизации в общем случае состоит из нескольких, в большей или меньшей степени, связанных друг с другом участков управления. Участки управления физически могут представляться в виде отдельных установок, агрегатов и т.д. или в виде локальных каналов управления отдельными параметрами одних и тех же установок, агрегатов и т.д.

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

С учетом изложенного структуры управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрализованными и многоуровневыми. Одноуровневые системы управления, в которых управление объектом осуществляется с одного пункта управления, называются централизованными. Одноуровневые системы, в которых отдельные части сложного объекта управляются из самостоятельных пунктов управления, называются децентрализованными.

Структурные схемы одноуровневых централизованных и децентрализованных систем приведены на рисунке 6, на котором стрелками показаны только основные потоки передачи информации от объекта управления к системе управления и управляющие воздействия системы на объект управления. На рисунке 7 отдельные части сложного объекта управления, управляемые соответственно с пунктов управления ПУ1 … ПУ3 разделены штриховыми линиями.







Объект

управления



ЦПУ

Уровень управления

а)



Объект

управления



ПУ 1



ПУ 2



ПУ 3

Уровень управления

б)

Рисунок 7 – Примеры одноуровневых систем управления:

а – централизованная система; б – децентрализованная система; ЦПУ – центральный пост управления; ПУ1… ПУ 3 – местные посты управления данного уровня



До разработки концепции интеграции систем управления предприятия и основ CALS-технологий, одноуровневые централизованные системы применялись в основном для управления относительно несложными объектами или объектами, расположенными на небольшой территории. Это было обусловлено тем, что большинство промышленных объектов в прошлом и настоящем времени представляют собой сложные комплексы, отдельные части которых расположены на значительном расстоянии друг от друга. Более того, кроме основных технологических установок, объекты промышленности, в том числе и строительной, имеют большое число вспомогательных установок-подобъектов (промышленные котельные установки, компрессорные станции, насосные отделения оборотного водоснабжения, котлы-утилизаторы, очистные сооружения и т.п.), которые необходимы для обеспечения технологических установок всеми видами энергии, а также для утилизации и нейтрализации остаточных продуктов технологического процесса.

При использовании проводных связей, система управления такого комплексного объекта, построенная по одноуровневой централизованной системе получается достаточно сложной, в виду усложнения коммуникаций, кроме того, резко возрастают затраты на изготовление такой системы управления и ее эксплуатации. Центральный пункт управления, без применения SCADA-систем (построении мнемосхем на панелях щитов и пультов, с помощью цветной проволоки, или краски, и стрелочных или самопишущих приборов) получается очень громоздким. Переработка информации, большая часть которой является ненужной для непосредственного ведения технологического процесса, представляла ранее достаточно большие затруднения. Удаленность пункта управления от того или иного вспомогательного подобъекта затрудняла принятие оперативных мер по устранению тех или иных неполадок. Поэтому ранее, в основном, на сложных комплексных объектах управления, применялась одноуровневая децентрализованная система управления.

С появлением SCADA-систем, CALS-технологий, развитием аппаратной части электронно-вычислительных машин и появлением достаточно надежных беспроводных систем передачи информации, при автоматизации сложных комплексных объектов управления, вновь стали применяться централизованные системы управления. Основная концепция систем управления, построенных по принципам CALS-технологий и факт использования возможностей SCADA-систем, диктует необходимость централизации систем управления (за счет применения единой базы данных, куда стекается вся информация об объекте управления, управляющих и измеряемых возмущающих воздействиях).

Разработанные, в последнее десятилетие, линейные и нелинейные устройства управления позволяют успешно управлять локальными низкоуровневыми объектами сложного производственного процесса, и, кроме того, приспособлены к передаче информации об объекте управления, управляющих и измеряемых возмущающих воздействиях в единую базу данных предприятия, с использованием стандартных сетевых протоколов. Этот факт диктует необходимость создания многоуровневых (минимально – двухуровневых) систем управления. Нижним уровнем в таких системах являются локальные регуляторы, а верхним – SCADA-система, с помощью которых диспетчеры контролируют работу систем нижнего уровня и задают управляющие воздействия на локальные регуляторы, а также различные системы, осуществляющие анализ производственного процесса и позволяющие определять оптимальные или рациональные режимы работы оборудования. В идеале, в будущем, должны быть созданы автоматические, адаптирующиеся (саморегулирующиеся) системы управления, роль человека в которых должна быть сведена только к контролю за ее работой.

В качестве примера абстрактной многоуровневой системы управления на рисунке 8 представлена трехуровневая система управления сложным объектом с разветвленными технологическими связями между установками. Отдельные технологические установки управляются децентрализовано с пунктов управления 1…7. Это первый уровень управления. С пунктов 1…7 соответственно управляются объекты, имеющие существенную технологическую взаимосвязь. В связи с этим наиболее ответственные регулируемые параметры установок передаются на пункты управления 8…10 второго уровня управления. Основные параметры, определяющие технологический процесс объекта в целом, могут управляться и контролироваться с пункта управления 11 третьего уровня.




Рисунок 8 – Пример трехуровневой системы управления:

I…III уровни управления.



Для первого уровня при проектировании целесообразно предусматривать три режима управления:

	командами, поступающими от уровня более высокого ранга;

	командами, формирующимися непосредственно на первом уровне;

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

Для уровня второго ранга и выше возможны четыре режима работы:

	аппаратура данного i-го ранга принимает и реализует в управляющие воздействия команды (i + 1) – го ранга;

	команды формируются непосредственно на аппаратуре i-го ранга;

	все функции управления с i-го ранга передаются на аппаратуру (i – 1) – го ранга;

	часть команд на аппаратуру i-го ранга поступает с (i + 1) – го ранга, часть команд формируется на i-м ранге, часть функций управления передана на аппаратуру (i – 1) – го ранга.

Аппаратура i-го ранга соответственно должна иметь переключатели режимов на четыре положения с четкой сигнализацией положений.

Перевод аппаратуры с режима 1 на режим 2 осуществляется по команде или с разрешения оператора системы вышестоящего ранга.

Передача функций управления тем или иным параметром на нижестоящий ранг осуществляется только после приема команды о передаче и подтверждения оператора системы нижестоящего ранга о готовности к принятию на себя тех или иных функций управления (формирования команд).

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

АСУ ТП классифицируются на уровни классов 1, 2 и 3.

К классу 1 (АСУ ТП нижнего уровня) относятся АСУ ТП, управляющие агрегатами, установками, участками производства, не имеющие в своем составе других АСУ ТП (характерный пример – регуляторы).

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

К классу 3 (АСУ ТП многоуровневые) относятся АСУ ТП, объединяющие в своем составе АСУ ТП классов 1, 2 и реализующие согласованное управление отдельными технологическими установками или их совокупностью (цехом, производством).

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

В общем случае любая система может быть представлена конструктивной, функциональной или алгоритмической структурой. В конструктивной структуре системы каждая ее часть представляет собой самостоятельное конструктивное целое. Примерами изображения конструктивных структурных схем системы автоматизации могут служить рисунки 6…8.

В функциональной структуре каждая часть предназначена для выполнения определенной функции, в алгоритмической – для выполнения определенного алгоритма преобразования входной величины, являющегося частью алгоритма функционирования системы в целом.

В проектах автоматизации изображают конструктивные структурные схемы с элементами функциональных признаков.

Полные сведения о функциональной структуре с указанием локальных контуров регулирования, каналов управления и технологического контроля приводятся в функциональных схемах.

Алгоритмические структурные схемы по контурам регулирования крайне необходимы при производстве наладочных работ систем автоматизации.



3.2 Структурные схемы измерения и управления



На структурной схеме отображаются в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между пунктами контроля и управления, оперативным персоналом и технологическим объектом управления. Принятые при выполнении структурной схемы принципы организации оперативного управления технологическим объектом, состав и обозначения отдельных элементов структурной схемы должны сохраняться во всех проектных документах на АСУ ТП, в которых они конкретизируются и детализируются в: функциональных схемах автоматизации, структурной схеме комплекса технических средств (КТС) системы, принципиальных схемах контроля и управления, а также в проектных документах, касающихся организации оперативной связи и организационного обеспечения АСУ ТП.

Исходными материалами для разработки структурных схем являются:

	задание на проектирование АСУ ТП;

	принципиальные технологические схемы основного и вспомогательных производств автоматизируемого технологического объекта;

	задание на проектирование оперативной связи подразделений автоматизируемого технологического объекта;

	генплан и титульный список автоматизируемого технологического объекта.

Структурная схема разрабатывается на стадиях «проект» и «рабочий проект». На стадии «рабочая документация» при двухстадийном проектировании структурная схема разрабатывается только в случае изменений технологической части проекта или изменения решений по АСУ ТП, принятых при утверждении проекта автоматизации.

В качестве примера на рисунке 9 приведена структурная схема управления сернокислотным производством (автоматизированная система).

На структурной схеме показывают:

	технологические подразделения автоматизируемого объекта (отделения, участки, цехи, производства);




Рисунок 9 – Фрагмент структурной схемы управления и контроля сернокислотным производством:

1 – линия связи с цеховой химической лабораторией; 2 – линия связи с пунктами контроля и управления кислотным участком; 3 – линия связи с пунктом контроля и управления III и IV технологическими линиями.

	пункты контроля и управления (местные щиты, операторские и диспетчерские пункты и т.п.), в том числе не входящие в состав разрабатываемого проекта, но имеющие связь с проектируемыми системами контроля и управления;

	технологический (эксплуатационный) персонал и специализированные службы, обеспечивающие оперативное управление и нормальное функционирование автоматизируемого технологического объекта;

	основные функции и технические средства (устройства), обеспечивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управления;

	взаимосвязь подразделений автоматизируемого технологического объекта, пунктов контроля и управления и технологического персонала между собой и с вышестоящей автоматизированной системой управления (АСУ).



Элементы структурной схемы изображаются, как правило, в виде прямоугольников. Отдельные функциональные службы [отдел главного энергетика (ОГЭ), отдел главного механика (ОГМ), отдел технического контроля (ОТК) и т.п.] и должностные лица (директор, главный инженер, начальник цеха, начальник смены, мастер и т.п.) допускается изображать на структурной схеме в виде кружков с буквенным обозначением внутри.

Внутри прямоугольников, изображающих участки (подразделения) автоматизируемого объекта, раскрывается их производственная структура. При этом выделяются цехи, участки, технологические линии либо группы агрегатов для выполнения законченного этапа технологического процесса, которые являются существенными для раскрытия в документах проекта всех взаимосвязей между управляемой (технологическим объектом управления) и управляющей системами.

На схеме функции АСУ ТП могут указываться в виде условных обозначений, расшифровка которых дается в таблице на поле чертежа (табл. 1).



Таблица 1 – Функция АСУ ТП и их условные обозначения на рисунке 8

Условное обозначение

Наименование

1

Контроль параметров

2

Дистанционное управление технологическим оборудованием и исполнительными устройствами

3

Измерительное преобразование

4

Контроль и сигнализация состояния оборудования и отклонения параметров

5

Стабилизирующее регулирование

6

Выбор режима работы регуляторов и ручное управление задатчиками

7

Ручной ввод данных

8

Регистрация параметров

9

Расчет технико-экономических показателей

10

Учет производства и составления данных за смену

11

Диагностика технологических линий (агрегатов)

12

Распределение нагрузок технологических линий (агрегатов)

13

Оптимизация отдельных технологических процессов

14

Анализ состояния технологического процесса

15

Прогнозирование основных показателей производства

16

Оценка работы смены

17

Контроль выполнения плановых заданий

18

Контроль проведения ремонтов

19

Подготовка и выдача оперативной информации в АСУП

20

Получение производственных ограничений и заданий от АСУП



Наименование элементов производственной структуры должны соответствовать технологической части проекта и наименованиям, используемым при выполнении других документов проекта АСУ ТП.

Взаимосвязь между пунктами контроля и управления, технологическим персоналом и объектом управления изображается на схеме сплошными линиями. Слияние и разветвление линий показываются на чертеже линиями с изломом (рис. 9).

При наличии аналогичных технологических объектов (цехов, отделений, участков и т.д.) допускается раскрывать на схеме структуру управления только для одного объекта. Об этом на схеме даются необходимые пояснения.

Из структурной схемы на рисунке 9 следует, что система управления основными технологическими процессами сернокислотного производства четырехуровневая:

	первый уровень – местное управление агрегатами, осуществляемое аппаратчиками с рабочих постов;

	второй уровень – централизованное управление несколькими агрегатами, входящими в тот или иной технологический участок, осуществляемое старшим аппаратчиком;

	третий уровень – централизованное управление несколькими участками, входящими в I и II (или III и IV) технологические линии сернокислотного производства;

	четвертый уровень – управление с диспетчерского пункта всеми технологическими линиями сернокислотного производства, осуществляемое диспетчером.

Структурные схемы выполняются, как правило, на одном листе. Таблица с условными обозначениями (табл. 1) располагается на поле чертежа схемы над основной надписью. При большом числе условных обозначений продолжение таблицы помещают слева от основной надписи с тем же порядком заполнения.

Текстовую часть, помещенную на поле чертежа, располагают над основной надписью. Между текстовой и основной надписями не допускается помещать изображения, таблицы и т.п. Пункты пояснительного текста должны иметь сквозную нумерацию. Каждый пункт записывают с красной строки. Заголовок «Примечание» не пишут. В тексте и надписях не допускаются сокращения слов, за исключением общепринятых.

Размеры всех условных изображений не регламентируются и выбираются по усмотрению исполнителя с соблюдением одинаковых размеров для однотипных изображений.

В настоящее время для технологического контроля и автоматического управления широкое применение находят агрегатированные системы средств телемеханики, комплексы технических средств локальных измерительных и управляющих систем, агрегатированные системы контроля и регулирования, цифровые централизованные (SCADA-системы) и др. Такие комплексы выполняются на базе электронной вычислительной машины в специальном защищенном исполнении, как правило, имеющие «на борту» встроенные средства хранения данных, видео- и аудио-выходы, стандартный набор средств обмена цифровыми данными (USB, COM, LPT, RS-232, LAN-контроллеры, модемы и т.п.), а также небольшое количество каналов аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и дискретных входов и выходов. Эти устройства позволяют реализовать практически любой закон управления, алгоритмы всевозможных преобразований и алгоритмы формирования управляющих воздействий.

Комплексные системы позволяют реализовать следующие основные информационно-вычислительные функции АСУ ТП:

		сбор, первичную обработку и хранение информации;

		косвенные измерения параметров процесса и состояния технологического оборудования;

		сигнализацию состояния параметров технологического процесса и оборудования;

		расчет технико-экономических и эксплуатационных показателей технологического процесса и технологического оборудования;

		подготовку информации для вышестоящих и смежных систем и уровней управления;

		регистрацию параметров технологического процесса, состояний оборудования и результатов расчета;

		контроль и регистрацию отклонений параметров процесса и состояния оборудования от заданных;

		анализ срабатывания блокировок и защит технологического оборудования;

		диагностику и прогнозирование хода технологического процесса и состояния технологического оборудования;

		оперативное отображение информации и рекомендаций ведения технологического процесса и управления технологическим оборудованием;

		выполнение процедур автоматического обмена информацией с вышестоящими и смежными системами управления.

На базе мини-ЭВМ реализуются управляющие вычислительные комплексы (УВК), выполняющие различные функции, в том числе:

		регулирование отдельных параметров технологического процесса;

		однотактное логическое управление;

		каскадное регулирование;

		многосвязанное регулирование;

		программные и логические операции дискретного управления процессом и оборудованием;

		оптимальное управление установившимся режимом технологического процесса и работы оборудования;

		оптимальное управление переходным процессом;

		оптимальное управление технологическим объектом в целом.

В проекте автоматизации необходимо произвести выбор и компоновку агрегатированных комплексов технических средств и средств автоматизации, т.е. на базе типовых технических средств разработать структурную схему технологического контроля и управления определенными параметрами данного объекта автоматизации.

На структурной схеме агрегатированные и модульные элементы комплекса технических средств и средств автоматизации изображают в виде прямоугольников с указанием в них условных обозначений. Расшифровка этих обозначений с указанием их функций производится в таблице, помещенной на чертеже схемы. Связь между элементами схемы изображается линиями со стрелками, показывающими направление прохождения сигналов.

В качестве примера на рисунке 10 приведена упрощенная структурная схема технического обеспечения АСУ ТП доменной печи №9 Криворожского металлургического завода, построенная с использованием средств УВК. Доменная печь имеет конвейерную систему подачи материалов на колосник. Сбор информации о работе доменной печи, конвейерной системы, шихтоподачи и других систем осуществляется датчиками уровня (ДУ) в шихтовых и датчиками вида материала (ДВМ) в промежуточных бункерах, сигнализаторами (С) наличия и вида материалов на конвейерах переполнения печек и промежуточных воронок, датчиками давления и перепада давления (ДДПД) в отдельных полостях загрузочного устройства, датчиками утла поворота (ДУП) лотка загрузочного устройства, датчиками температуры (ДТ), датчиками расхода (ДР) и др.






Рисунок 10 – Упрощенная структурная схема АСУ ТП доменной печи №9 Криворожского металлургического завода:

ДНМ – датчики наличия материалов; ДУ – датчики уровня; ДВ – датчики массы; АШиК – анализаторы шихты и кокса; ВК – влагомер кокса; ДВМ – датчики вида материалов; ДРЛК – датчики разрыва лент конвейеров; ПВМБ – питатели для выдачи материалов из бункеров; ИМ – исполнительные механизмы; ДТ – датчики температуры; ДДПД – датчики давления или перепада давлений; ДР – датчики расхода; ДВл – датчики влажности; АДиГ – анализаторы дутья и газа; ДУП – датчики угла поворота; ТК – телекамеры; СТ – сигнальное табло; ВП – вторичные приборы; МС – мнемосхемы; КУ – ключи управления; РЗВД – ручные задатчики массы дозы; ЛСДМ – локальные системы дозирования материалов; ЛСР – локальные системы регулирования; БЦИЧ – блок цифровой индикации с частотными вводами; РДЗ – ручные дистанционные задатчики; ЦИ – цифровые индикаторы; ИПМ – индикаторы положения механизмов; ТВ – телевизоры; ЭВМ ШП – электронная вычислительная машина шихтоподачи (управляющая взвешиванием материалов и производительностью тракта ШП), ЦВУ СЦК – цифровое вычислительное устройство системы централизованного контроля (осуществляющее сбор и обработку первичной информации, расчет комплексных и удельных показателей работы печи, автоматическое заполнение отчетных документов); БЦР – блок цифровой регистрации; БЦИД – блок цифровой индикации с дискретными вводами; ЭВМ УХДП – электронная вычислительная машина, управляющая тепловым состоянием и ходом печи; ИТ – информационные табло; I – первый этап внедрения (пусковойкомплекс); II и III – соответственно второй и третий этапы внедрения.



Обработка и предоставление информации, стабилизация или изменение по заданной программе технологических параметров, ввод информации в УВМ и вывод рекомендаций по управлению ходом доменной печи и другие операции осуществляются с помощью технических средств централизованного контроля и управления работой доменной печи.

При разработке проектов автоматизации сложных технологических процессов с использованием агрегатированных комплексов вычислительной техники, требующих предварительного проведения научно-исследовательских экспериментальных работ в условиях действующего оборудования в период освоения проектных мощностей, следует предусматривать поэтапное выполнение монтажных работ и включение УВК в работу.

В общем случае можно рекомендовать следующее поэтапное включение УВК в работу:

	пуск объекта с технологическим контролем и автоматическим управлением от локальных систем регулирования; в этот период уточняются динамические и статические характеристики объекта, устраняются ошибки монтажа и проекта, возможные дефекты технологического оборудования, стабилизируется технологический процесс и т.п. Отрабатываются программы и алгоритмы на УВМ без их подключения к действующему технологическому оборудованию;

	подключение УВМ к действующему технологическому оборудованию и включение ее в режим «советчика» с выдачей эксплуатационному персоналу рекомендаций по управлению ходом работы доменной печи;

	включение УВМ в режим автоматического управления объектом через системы локального регулирования.

При необходимости в проектах автоматизации приводятся структурные схемы отдельных комплексов технических средств и средств автоматизации.




4. Функциональная схемная проектная документация



4.1 Назначение функциональных схем, методика и общие принципы их выполнения



Функциональные схемы являются основным техническим документом, определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования технологического процесса и оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации (в том числе средствами телемеханики и вычислительной техники).

Объектом управления в системах автоматизации технологических процессов является совокупность основного и вспомогательного оборудования вместе со встроенными в него запорными и регулирующими органами, а также энергии, сырья и других материалов, определяемых особенностями используемой технологии.

Задачи автоматизации решаются наиболее эффективно тогда, когда они прорабатываются в процессе разработки технологического процесса.

В этот период нередко выявляется необходимость изменения технологических схем с целью приспособления их к требованиям автоматизации, установленным на основании технико-экономического анализа проекта.

Создание эффективных систем автоматизации предопределяет необходимость глубокого изучения технологического процесса не только проектировщиками, но и специалистами монтажных, наладочных и эксплуатационных организаций.

При разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов необходимо уточнить следующие вопросы:

	какие способы и средства получения первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования будут применяться? (определяет номенклатуру датчиков);

	каким образом будет осуществляться непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им? (определяет номенклатуру исполнительных механизмов);

	какие технологические параметры автоматизируемых процессов необходимо стабилизировать и в каких значениях? (номенклатура регулируемых параметров);

	есть ли необходимость программного или зависимого управления? (номенклатура программ управления и управляющих зависимостей);

	какие технологические параметры рабочих процессов и какие состояния технологического оборудования должны контролироваться и регистрироваться в обязательном порядке? (формирование единой базы данных).

Указанные задачи решаются на основании анализа условий работы технологического оборудования, выявленных законов и критериев управления объектом, а также требований, предъявляемых к точности стабилизации, контроля и регистрации технологических параметров, к качеству регулирования и надежности.

Функциональные задачи автоматизации, как правило, реализуются с помощью технических средств, включающих в себя: отборные устройства, средства получения первичной информации, средства преобразования и переработки информации, средства представления и выдачи информации обслуживающему персоналу, комбинированные, комплектные и вспомогательные устройства. Результатом составления функциональных схем являются:

	выбор методов измерения технологических параметров;

	выбор основных технических средств автоматизации, наиболее полно отвечающих предъявляемым требованиям и условиям работы автоматизируемого объекта;

	определение приводов исполнительных механизмов регулирующих и запорных органов технологического оборудования, управляемого автоматически или дистанционно;

	размещение средств автоматизации на щитах, пультах, технологическом оборудовании и трубопроводах и т.п. и определение способов представления информации о состоянии технологического процесса и оборудования.

Современное развитие всех отраслей промышленности характеризуется большим разнообразием используемых в них технологических процессов.

Практически не ограничены и условия их функционирования и требования по управлению и автоматизации. Однако базируясь на опыте проектирования систем управления и автоматизации, можно сформулировать некоторые общие принципы, которыми следует руководствоваться при разработке функциональных схем автоматизации:

1)	уровень автоматизации технологического процесса в каждый период времени должен определяться не только целесообразностью внедрения определенного комплекса технических средств и достигнутым уровнем научно-технических разработок, но и перспективой модернизации и развития технологических процессов. Должна сохраняться возможность наращивания функций управления;

2)	при разработке функциональных и других видов схем автоматизации и выборе технических средств должны учитываться: вид и характер технологического процесса, условия пожаро- и взрывоопасности, агрессивность и токсичность окружающей среды и т.д.; параметры и физико-химические свойства измеряемой среды; расстояние от мест установки датчиков, вспомогательных устройств, исполнительных механизмов, приводов машин и запорных органов до пунктов управления и контроля; требуемая точность и быстродействие средств автоматизации;

3)	система автоматизации технологических процессов должна строиться, как правило, на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники. Необходимо стремиться к применению однотипных средств автоматизации и предпочтительно унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах управления. Использование однотипной аппаратуры дает значительные преимущества при монтаже, наладке, эксплуатации, обеспечении запасными частями и т.п.

4)	в качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (автоматических датчиков), вторичных приборов, регулирующих и исполнительных устройств следует использовать преимущественно приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП);

6)	в случаях, когда функциональные схемы автоматизации не могут быть построены на базе только серийной аппаратуры, в процессе проектирования выдаются соответствующие технические задания на разработку новых средств автоматизации;

7)	выбор средств автоматизации, использующих вспомогательную энергию (электрическую, пневматическую и гидравлическую), определяется условиями пожаро- и взрывоопасности автоматизируемого объекта, агрессивности окружающей среды, требованиями к быстродействию, дальности передачи сигналов информации и управления и т.д.;

8)	количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации, устанавливаемой на оперативных щитах и пультах, должно быть ограничено. Избыток аппаратуры усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание обслуживающего персонала от наблюдения за основными приборами, определяющими ход технологического процесса, увеличивает стоимость установки и сроки монтажных и наладочных работ. Приборы и средства автоматизации вспомогательного назначения целесообразнее размещать на отдельных щитах, располагаемых в производственных помещениях вблизи технологического оборудования.

Перечисленные принципы являются общими, но не исчерпывающими для всех случаев, которые могут встретиться в практике проектирования систем автоматизации технологических процессов. Однако для каждого конкретного случая их следует иметь в виду при реализации технического задания на автоматизацию проектируемого объекта.



4.2 Правила изображения технологического оборудования и коммуникаций



Технологическое оборудование и коммуникации при разработке функциональных схем должны изображаться, как правило, упрощенно, без указания отдельных технологических аппаратов и трубопроводов вспомогательного назначения. Однако изображенная таким образом технологическая схема должна давать ясное представление о принципе ее работы и взаимодействии со средствами автоматизации.

На технологических трубопроводах обычно показывают ту регулирующую и запорную арматуру, которая непосредственно участвует в контроле и управлении процессом, а также запорные и регулирующие органы, необходимые для определения относительного расположения мест отбора импульсов или поясняющие необходимость измерений.

Технологические аппараты и трубопроводы вспомогательного назначения показывают только в случаях, когда они механически соединяются или взаимодействуют со средствами автоматизации. В отдельных случаях некоторые элементы технологического оборудования допускается изображать на функциональных схемах в виде прямоугольников с указанием наименования этих элементов или не показывать вообще.

Около датчиков, отборных, приемных и других подобных по назначению устройств следует указывать наименование того технологического оборудования, к которому они относятся.

Технологические коммуникации и трубопроводы жидкости и газа изображают условными обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.784–70, приведенными в таблице 2.



Таблица 2 – Условные цифровые обозначения трубопроводов 
для жидкостей и газов по ГОСТ 2.784–70

Наименование среды, транспортируемой трубопроводом

Обозначение

Вода

-1–1-

Пар

-2–2-

Воздух

-3–3-

Азот

-4–4-

Кислород

-5–5-

Инертные газы



аргон

-6–6-

неон

-7–7-

гелий

-8–8-

криптон

-9–9-

ксенон

-10–10-

Аммиак

-11–11-

Кислота (окислитель)

-12–12-

Щелочь

-13–13-

Масло

-14–14-

Жидкое горючее

-15–15-

Горючие и взрывоопасные газы:



водород

-16–16-

ацетилен

-17–17-

фреон

-18–18-

метан

-19–19-

этан

-20–20-

этилен

-21–21-

пропан

-22–22-

пропилен

-23–23-

бутан

-24–24-

бутилен

-25–25-

Противопожарный трубопровод

-26–26-

Вакуум

-27–27-



Для более детального указания характера среды к цифровому обозначению может добавляться буквенный индекс, например вода чистая -1 ч-, пар перегретый -2п-, пар насыщенный -2н- и т.п. Условные числовые обозначения трубопроводов следует проставлять через расстояния не менее 50 мм.

Детали трубопроводов, арматура, теплотехнические и санитарно-технические устройства и аппаратура показываются условными обозначениями по ГОСТ 2.785–70 и стандартам СПДС.

Для жидкостей и газов, не предусмотренных таблицей 2, допускается использовать для обозначения другие цифры, но обязательно с необходимыми пояснениями новых условных обозначений в таблице условных обозначений, располагаемой над основной надписью. В этой же таблице приводятся расшифровки уточняющих обозначений (например вода чистая -1 ч-, пар перегретый -2п-, пар насыщенный -2н- и т.п.).

Если обозначения трубопроводов на технологических чертежах не стандартизированы, то на функциональных схемах автоматизации следует применять условные обозначения, принятые в технологических схемах.

У изображения технологического оборудования, отдельных его элементов и трубопроводов следует давать соответствующие поясняющие надписи (наименование технологического оборудования, его номер, если таковой имеется, и др.), а также указывать стрелками направление потоков. Отдельные агрегаты и установки технологического оборудования можно изображать оторвано друг от друга с соответствующими указаниями на их взаимосвязь

На трубопроводах, на которых предусматривается установка отборных устройств и регулирующих органов, указывают диаметры условных проходов.



4.3 Правила изображения средств измерения и автоматизации



Приборы, средства автоматизации, электрические устройства и элементы вычислительной техники на функциональных схемах автоматизации показываются в соответствии с ГОСТ 21.404–85 и отраслевыми нормативными документами.

При отсутствии в стандартах необходимых изображений разрешается применять нестандартные изображения, которые следует выполнять на основании характерных признаков изображаемых устройств.

ГОСТ 21.404–85 предусматривает систему построения графических и буквенных условных обозначений по функциональным признакам, выполняемым приборами (табл. 3).

В стандарте установлены два способа построения условных обозначений: упрощенный и развернутый.

Для упрощенного способа построения достаточно основных условных обозначений, приведенных в табл. 3, и буквенных обозначений, приведенных в таблице 4.

Развернутый способ построения условных графических обозначений может быть выполнен путем комбинированного применения основных (табл. 3 и 4) и дополнительных обозначений, приведенных в таблицах 5 и 6.

Сложные приборы, выполняющие несколько функций, допускается изображать несколькими окружностями, примыкающими друг к другу.

Методика построения графических условных обозначений для упрощенного и развернутого способов является общей.

В верхней части окружности наносятся буквенные обозначения измеряемой величины и функционального признака прибора.



Таблица 3 – Основные условные обозначения приборов и средств автоматизации по ГОСТ 21.404–85

Наименование

Обозначение

Первичный измерительный преобразователь (датчик), прибор, устанавливаемый по месту



Прибор, устанавливаемый на щите



Отборное устройство без постоянно подключенного прибора (служит для эпизодического подключения приборов во время наладки, снятия характеристик и т.п.)



Исполнительный механизм. Общее обозначение. (Положение регулирующего органа при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала не регламентируется)



Исполнительный механизм, открывающий регулирующий орган при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала



Исполнительный механизм, закрывающий регулирующий орган при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала



Исполнительный механизм, который при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала оставляет регулирующий орган в неизменном положении



Исполнительный механизм с дополнительным ручным приводом (обозначение может применяться в сочетании с любым из дополнительных знаков, характеризующих положение регулирующего органа при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала)



Регулирующий орган



Линия связи



Пересечение линий связи без соединения друг с другом



Пересечение линий связи с соединением между собой





В нижней части окружности наносится позиционное обозначение (цифровое или буквенно-цифровое), служащее для нумерации комплекта измерения или регулирования (при упрощенном способе построения условных обозначений) или отдельных элементов комплекта (при развернутом способе построения условных обозначений).



Таблица 4 – Буквенные условные обозначения по ГОСТ 21.404–85

Обозначение

Измеряемая величина

Функции, выполняемые прибором



Основное назначение первой буквы

Дополнительное назначение, уточняющее назначение первой буквы

Отображение информации

Формирование выходного сигнала

Дополнительное назначение

A

–

–

Сигнализация





B

–

–

–

–

–

C

–

–

–

Регулирование, управление

–

D

Плотность

Разность, перепад

–

–

–

E

Любая электрическая величина

–

–

–

–

F

Расход

Соотношение, доля, дробь

–

–

–

G

Размер, положение, перемещение

–

–

–

–

H

Ручное воздействие

–

–

–

Верхний предел измеряемой величины

I

–

–

Показание

–

–

J

–

Автоматическое переключение, обегание

–

–

–

K

Время, временная программа

–

–

–

–

L

Уровень

–

–

–

Нижний предел измеряемой величины

M

Влажность

–

–

–

–

N

Резервная буква

–

–

–

–

O

Резервная буква

–

–

–

–

P

Давление, вакуум

–

–

–

–

Q

Величина, характеризующая качество, состав, концентрацию и т.п.

Интегрирование, суммирование по времени

–

–

–

R

Радиоактивность

–

Регистрация

–

–

S

Скорость, частота

–

–

Включение, отключение, переключение, сигнализация

–

T

Температура

–

–

–

–

U

Несколько разнородных измеряемых величин

–

–

–

–

V

Вязкость

–

–

–

–

W

Масса

–

–

–

–

X

Нерекомендуемая резервная буква












Таблица 5 – Дополнительные буквенные обозначения, отражающие 
функциональные признаки приборов по ГОСТ 21.404–85

Наименование

Обозначение

Чувствительный элемент (первичное преобразование)

E

Дистанционная передача (промежуточное преобразование)

T

Станция управления

K

Преобразование, вычислительные функции

Y



Таблица 6 – Дополнительные обозначения, отражающие функциональные признаки преобразователей сигналов и вычислительных устройств по ГОСТ 21.404–85

Наименование

Обозначение

Род сигнала:



электрический

E

пневматический

P

гидравлический

G

Виды сигнала:



аналоговый

A

дискретный

D

Операции, выполняемые вычислительным устройством:



суммирование



умножение сигнала на постоянный 
коэффициент К

K

перемножение двух и более сигналов

×

деление сигналов друг на друга

:

возведение сигнала f в степень n



извлечение из сигнала f корня степени n



логарифмирование

lg

дифференцирование

dx / dt

интегрирование



изменение знака сигнала

× (-1)

ограничение верхнего значения сигнала

max

ограничение нижнего значения сигнала

min




Порядок расположения буквенных обозначений в верхней части (слева направо) должен быть следующим: обозначение основной измеряемой величины; обозначение, уточняющее (если необходимо) основную измеряемую величину; обозначение функционального признака прибора.

Функциональные признаки (если их несколько в одном приборе) также располагаются в определенном порядке.

Пример построения условного обозначения прибора для измерения, регистрации и автоматического регулирования перепада давления приведен на рисунке 11.





Рисунок 11 – Пример построения условного обозначения прибора для измерения, регистрации и автоматического регулирования перепада давления



При построении условных обозначений приборов следует указывать не все функциональные признаки прибора, а лишь те, которые используются в данной схеме. Так, при обозначении показывающих и самопишущих приборов (если функция «показание» не используется) следует писать TR вместо TIR, PR вместо PIR и т.п.

При построении условного обозначения сигнализатора уровня, блок сигнализации которого является бесшкальным прибором и снабжен контактным устройством и встроенными сигнальными лампами, следует писать:

	LS – если прибор используется только для дистанционной сигнализации отклонения уровня, включения, выключения насоса, блокировок и т.д.;

	LA – если используются только сигнальные лампочки самого прибора;

	LSA – если используются обе функции в соответствии с а) и б);

Размеры графических условных обозначений по ГОСТ 21.404–85 приведены в таблице 7.



Таблица 7 – Размеры графических условных обозначений приборов 
и средств автоматизации по ГОСТ 21.404–85

Наименование

Обозначение

Первичный измерительный преобразователь (датчик), прибор (контролирующий, регулирующий):



базовое обозначение



 10

допускаемое обозначение



10

15

Отборное устройство



R5

10

Исполнительный механизм



5

2

2

2,5

5

5

Регулирующий орган



7

3

	

	LC – если прибор используется для позиционного регулирования уровня.

Условные графические обозначения на схемах должны выполняться линиями толщиной 0,5…0,6 мм.

Горизонтальная разделительная черта внутри обозначения и линии связи должны выполняться линиями толщиной 0,2…0,3 мм.

В обоснованных случаях (например, при позиционных обозначениях, состоящих из большого числа знаков) для обозначения первичных преобразователей и приборов допускается вместо окружности применять обозначения в виде эллипса.

Примеры построения условных обозначений, устанавливаемых ГОСТ 21.404–85, приведены в таблице 8.

При использовании условных обозначений по ГОСТ 21.404–85 необходимо руководствоваться следующими правилами:

	буква А (см. табл. 4) применяется для обозначения функции сигнализации при упрощенном способе построения условных обозначений, а также при развернутом способе, когда для сигнализации используются лампы, встроенные в сам прибор. Во всех остальных случаях для обозначения контактного устройства прибора применяется буква S и при необходимости символ ламп, гудка, звонка.

Сигнализируемые предельные значения измеряемых величин следует конкретизировать добавлением букв Н и L. Эти буквы наносятся вне графического обозначения, справа от него (см. табл. 8, п.п. 31, 32).

Букву S не следует применять для обозначения функции регулирования (в том числе позиционного);

	для конкретизации измеряемой величины около изображения прибора (справа от него) необходимо указывать наименование или символ измеряемой величины, например «напряжение», «ток», рН, О2 и т.д. 
(см. табл. 8, п.п. 41…43);

	в случаях необходимости около изображения прибора допускается указывать вид радиоактивности, например а-, Р- или у-излучение (см. табл. 3.7, п. 44);

	буква U может быть использована для обозначения прибора, измеряющего несколько разнородных величин. Подробная расшифровка измеряемых величин должна быть приведена около прибора или на поле чертежа (см. табл. 8, п.п. 46);

	для обозначения величин, не предусмотренных данным стандартом, могут быть использованы резервные буквы. Многократно применяемые величины следует обозначать одной и той же резервной буквой.

Для одноразового или редкого применения может быть использована буква X. При необходимости применения резервных буквенных обозначений они должны быть расшифрованы на схеме. Не допускается в одной и той же документации применение одной резервной буквы для обозначения различных величин;

	для обозначения дополнительных значений прописные буквы D, F, Q допускается заменять строчными d, f, q;

	в отдельных случаях, когда позиционное обозначение прибора не помещается в окружность, допускается нанесение его вне окружности;

	буква Е (см. табл. 8) применяется для обозначения чувствительных элементов, т.е. устройств, выполняющих первичное преобразование. Примерами первичных преобразователей являются термометры термоэлектрические (термопары), термометры сопротивления, датчики пирометров, сужающие устройства расходомеров, датчики индукционных расходомеров и т.п.;

	буква T означает промежуточное преобразование – дистанционную передачу сигнала. Ее рекомендуется применять для обозначения приборов с дистанционной передачей показаний, например бесшкальных манометров (дифманометров), манометрических термометров с дистанционной передачей и т.п.;

	буква К применяется для обозначения приборов, имеющих станцию управления, т.е. переключатель выбора вида управления (автоматическое, ручное);

	буква Y рекомендуется для построения обозначений преобразователей сигналов и вычислительных устройств;

	порядок построения условных обозначений с применением дополнительных букв следующий: на первом месте ставится буква, обозначающая измеряемую величину, на втором – одна из дополнительных букв Е, Т, К или У.

Например, первичные измерительные преобразователи температуры (термометры термоэлектрические, термометры сопротивления и др.) обозначаются ТЕ, первичные измерительные преобразователи расхода (сужающие устройства расходомеров, датчики индукционных расходомеров и др.) – FE; бесшкальные манометры с дистанционной передачей показаний – РТ; бесшкальные расходомеры с дистанционной передачей – FT и т.д.;

	при применении обозначений из таблицы 6 надписи, расшифровывающие вид преобразования или операции, выполняемые вычислительным устройством, наносятся справа от графического изображения прибора;

	в обоснованных случаях во избежание неправильного понимания схемы допускается вместо условных обозначений приводить полное наименование преобразуемых сигналов. Также рекомендуется обозначать некоторые редко применяемые или специфические сигналы, например кодовый, времяимпульсный, числоимпульсный и т.д.;

	при построении обозначений комплектов средств автоматизации первая буква в обозначении каждого прибора, входящего в комплект, является наименованием измеряемой комплектом величины. Например, в комплекте для измерения и регулирования температуры первичный измерительный преобразователь следует обозначать ТЕ, вторичный регистрирующий прибор – TR, регулирующий блок – ТС и т.п.

При построении условных обозначений по ГОСТ 21.404–85 предусматриваются следующие исключения:

	все устройства, выполненные в виде отдельных блоков и предназначенные для ручных операций, должны иметь на первом месте в обозначении букву H независимо от того, в состав какого измерительного комплекта они входят, например, переключатели электрических цепей измерения (управления), переключатели газовых (воздушных) линий обозначаются HS, байпасные панели дистанционного управления – НС, кнопки (ключи) для дистанционного управления, задатчики – H и т.п.;

	при обозначении комплекта, предназначенного для измерения нескольких разнородных величин, первичные измерительные преобразователи (датчики) следует обозначать в соответствии с измеряемой величиной, вторичный прибор – UP;

	в отдельных случаях при построении обозначений комплектов, предназначенных для измерения качества косвенным методом, первая буква в обозначении датчика может отличаться от первой буквы в обозначении вторичного прибора (например, для измерения качества продукта пользуются методом температурной депрессии). Датчиками температуры при этом являются термометры сопротивления, вторичным прибором – автоматический мост. Обозначение такого комплекта при развернутом способе будет следующим: датчики – ТЕ, вторичный прибор – QR (см. табл. 8, п.п. 43).

Щиты, стативы, пульты управления на функциональных схемах изображаются условно в виде прямоугольников произвольных размеров, достаточных для нанесения графических условных обозначений устанавливаемых на них приборов, средств автоматизации, аппаратуры управления и сигнализации по ГОСТ 21.404–85.

Комплектные устройства (машины централизованного контроля, управляющие машины, полукомплекты телемеханики и др.) обозначаются на функциональных схемах также в виде прямоугольников.

Функциональные связи между технологическим оборудованием и установленными на нем первичными преобразователями, а также со средствами автоматизации, установленными на щитах и пультах, на схемах показываются тонкими сплошными линиями. Каждая связь обозначается одной линией независимо от фактического числа проводов или труб, осуществляющих эту связь. К условным обозначениям приборов и средств автоматизации для входных и выходных сигналов линии связи допускается подводить с любой стороны, в том числе сбоку и под углом. Линии связи должны наноситься на чертежи по кратчайшему расстоянию и проводиться с минимальным числом пересечений.

Допускается пересечение линиями связи изображений технологического оборудования и коммуникаций. Пересечение линиями связи условных обозначений приборов и средств автоматизации не допускается.




Таблица 8 – Примеры построения условных обозначений по ГОСТ 21.404–85

№ п.п.

Наименование

Обозначение

1

Первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения температуры, установленный по месту (термометр термоэлектрический, термометр сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т.п.)



TE

2

Прибор для измерения температуры, показывающий, установленный по месту (термометр ртутный, термометр манометрический и т.п.)



TI

3

Прибор для измерения температуры, показывающий, установленный на щите (милливольтметр, логометр, потенциометр, мост автоматический и т.п.)



TI

4

Прибор для измерения температуры, бесшкальный, с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (термометр манометрический бесшкальный с пневмо- или электропередачей)



TT

5

Прибор для измерения температуры, одноточечный, регистрирующий, установленный на щите (милливольтметр самопишущий, логометр, потенциометр, мост автоматический и т.п.)



TR

6

Прибор для измерения температуры с автоматическим обегающим устройством, регистрирующий, установленный на щите (потенциометр многоточечный самопишущий, мост автоматический и т.п.)



TJR

7

Прибор для измерения температуры, регистрирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, логометр, потенциометр, мост автоматический и т.п.)



TRC

8

Регулятор температуры, бесшкальный, установленный по месту (например, дилатометрический регулятор температуры)



TC

9

Комплект для измерения температуры, регистрирующий, регулирующий, снабженный станцией управления, установленный на щите (например, вторичный прибор и регулирующий блок системы «Старт»)



TC

TRK

10

Прибор для измерения температуры, бесшкальный, с контактным устройством, установленный по месту (например, реле температурное)



TS

11

Байпасная панель дистанционного управления, установленная на щите



HC

12

Переключатель электрических цепей измерения (управления), переключатель для газовых воздушных линий, установленных на щите



HS

13

Прибор для измерения давления (разрежение), показывающий, установленный по месту (любой показывающий манометр, дифманометр, тягомер, напоромер, вакуумметр и т.п.)



PI

14

Прибор для измерения перепада давления, показывающий, установленный по месту (например, дифманометр показывающий)



PDI

15

Прибор для измерения давления (разрежения), бесшкальный, с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (например, манометр, дифманометр бесшкальный с пневмо- или электропередачей)



PT

16

Прибор для измерения давления (разрежения), регистрирующий, установленный на щите (например, самопишущий манометр или любой вторичный прибор для регистрации давления)



PR

17

Прибор для измерения давления с контактным устройством, установленный по месту (например, реле давления)



PS

18

Прибор для измерения давления (разрежения), показывающий, с контактным устройством, установленный по месту (электроконтактный манометр, вакуумметр и т.п.)



PIS

19

Регулятор давления, работающий без использования постороннего источника энергии (регулятор давления прямого действия), «до себя»



PS

20

Первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения расхода, установленный по месту (диафрагма, сопло, труба Вентури, датчик индукционного расходомера и т.п.)



EE

21

Прибор для измерения расхода, бесшкальный, с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (например, бесшкальный дифманометр или ротаметр с пневмо- или электропередачей)



FT

22

Прибор для измерения соотношения расходов, регистрирующий, установленный на щите (любой вторичный прибор для регистрации соотношения расходов)



FFR

23

Прибор для измерения расхода, показывающий, установленный по месту (например, дифманометр или ротаметр показывающий)



FI

24

Прибор для измерения расхода, интегрирующий, установленный по месту (например, любой бесшкальный счетчик-расходомер с интегратором)



FQI

25

Прибор для измерения расхода, показывающий, интегрирующий, установленный по месту (например, показывающий дифманометр с интегратором)



FQI

FI

26

Прибор для измерения расхода, интегрирующий, с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количества вещества, установленный по месту (например, счетчик-дозатор)



FQIS

27

Первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения уровня, установленный по месту (например, датчик электрического или емкостного уровнемера)



LE



2