Проектирование автоматизированных систем


В. И. Семеновых, А. А. Перминов






            ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ









Утверждено учебно-методическим советом Сыктывкарского лесного института в качестве учебного пособия, для студентов направлений подготовки бакалавриата
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»,
27.03.04 «Управление в технических системах» всех форм обучения











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 681.5:65.011.56
ББК 32.965
      С30

     Издается, по решению редакционно-издательского совета Сыктывкарского лесного института




Рецензенты: кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок (Вятский государственный университет);
кандидат технических наук (Коми научный центр УрО РАН) П. А. Малащук




     Семеновых, В. И.
СЗО Проектирование автоматизированных систем : учебное пособие / В. И. Семеновых, А. А. Перминов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 116 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1060-1


     Раскрыты общие вопросы проектирования автоматизированных систем, выбора оборудования и непосредственно организации проектирования, в том числе схемы внешней проводки и симуляция автоматизированных систем.
     Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», 27.03.04 «Управление в технических системах» всех форм обучения.

УДК 681.5:65.011.56
                                                      ББК 32.965















ISBN 978-5-9729-1060-1

     © Семеновых В. И., Перминов А. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.....................................................4

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ.................5
  1.1. Системный подход к проектированию систем..............5
  1.2. Описание функциональной схемы технологического процесса.16
  1.3. Техническое задание на проектирование автоматизированной системы...................................................18
  1.4. Структурные схемы автоматизированных систем..........24
  1.5. Функциональные схемы автоматизации...................28
    Контрольные вопросы.....................................33

ГЛАВА 2. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ.................................34
  2.1. Выбор контроллерного оборудования....................34
  2.2. Выбор средств коммуникации...........................42
  2.3. Выбор измерительных средств КИПиА....................50
  2.4. Выбор исполнительных устройств.......................64
  2.5. Состав SCADA систем..................................69
    Контрольные вопросы.....................................78

ГЛАВА 3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.........................79
  3.1. Проектирование программного обеспечения ПЛК..........79
  3.2. Моделирование и симуляция автоматизированных систем..82
  3.3. Проектирование алгоритмического обеспечения..........88
  3.4. Принципиальные схемы автоматизации...................98
  3.5. Схемы внешней проводки..............................103
    Контрольные вопросы.....................................112

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................113

3

        ВВЕДЕНИЕ


    Техническая система - это совокупность конечного числа взаимосвязанных объектов, имеющая последовательно взаимодействующие сенсорную и исполнительную части. Любая техническая система способна, при нахождении хотя бы в одном из устойчивых состояний (целевом состоянии), самостоятельно выполнять в штатных условиях свои потребительские функции, предусмотренные ее конструкцией.
    В каждой технической системе существует функциональная часть - объект управления. Функцией объекта управления является восприятие управляющих воздействий и изменение, в соответствии с ними, своего состояния. Объект управления не выполняет функций принятия решений, т. е. не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния в соответствии с конструкцией. В объекте управления всегда могут быть выделены две функциональные части - сенсорная и исполнительная.
    Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, изменения состояний которых создают управляющие воздействия на объект управления, т. е. является системой управления данным объектом. Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, программные устройства, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.
    На систему управления возлагаются функции принятия решений в управлении данным объектом, обеспечения его безопасной эксплуатации, повышения эффективности протекания его внутренних технологических процессов. Любая система управления является основной частью системы автоматизации технологического объекта, т. е. система управления, как правило, может называться автоматизированной системой.

4

        ГЛАВА 1


        ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ

1.1. Системный подход к проектированию систем


    Системы управления и их классификация с точки зрения сложности. Рассмотрим систему, состоящую из n элементов. В простейшем случае между элементами действуют только двусторонние связи (рис.1.1,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].


Рис. 1.1. Классификация систем управления

    Одна из возможных классификаций систем по указанным основным признакам представлена на рис. 1.1, 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.


5

    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. Согласно определению, данному в [1], большим системам управления, состоящим из объекта управления и управляющих систем, связанных каналами передачи информации, присущи следующие пять признаков:
    1.     Система управления имеет иерархическую структуру и представляет собой комплекс подсистем управления различных рангов (рис. 1.2). 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.
    2.     Органы управления (управляющие системы) подсистем и всей системы организованы по иерархическому принципу, т. е. представляют собой коллективы, функционирующие во главе с руководителями разных рангов.
    3.     Главнейшие функции управления, планирования, оценки ситуаций или складывающейся обстановки и принятие решений осуществляются непосредственно коллективами управляющих систем.
    4.     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.
    5.     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.

6

Рис. 1.2. Структура большой системы управления

    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.
    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 рис. 1.3, 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 проектиро-7

вания, 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.


Рис. 1.3. Ограничения при проектировании систем

     Важнейшей задачей проектирования является разработка и отработка полного комплекта технической документации (проекта) 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. Общими требованиями к проекту являются целевая направленность, четкость построения, логическая последовательность изложения материала, глубина исследования и полнота освещения вопросов, убедительность аргументаций, краткость и точность формулировок, конкретность изложения результатов работы, доказательность выводов и обоснованность рекомендаций, грамотное оформление.
     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.

8

    Эксплуатационная документация, как правило, включает в себя основные документы схемной, конструкторской и текстовой документации и должна обеспечивать грамотную эксплуатацию системы. Также для больших распределенных систем существует понятие исполнительной документации. Эта документация создается после запуска объекта автоматизации в эксплуатацию. В ней отражаются все изменения, которые были внесены в систему в процессе пусконаладочных работ на объекте автоматизации. Это, как правило, изменения, которые улучшают технические решения существующего проекта, или улучшают функционирование объекта автоматизации в целом.
    Согласно [2] предусматривается пять стадий разработки конструкторской документации на изделия (предмет или набор предметов производства, в нашем случае на автоматизированную систему) всех отраслей промышленности:
    -  техническое задание (ТЗ);
    -  техническое предложение (ТП);
    -  эскизный проект (ЭП);
    -  технический проект;
    -  рабочая документация.
    Техническое задание устанавливает основное назначение, показатели качества разрабатываемого изделия, его технические и тактико-технические характеристики, технико-экономические требования, предъявляемые к нему, необходимые стадии разработки конструкторской документации, ее состав, а также специальные требования к изделию.
    Техническое предложение - это совокупность конструкторских документов, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации изделия.
    Эскизный проект - это совокупность конструкторских документов, которые должны содержать принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия.
    Технический проект - это совокупность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации.
    Рабочая, документация включает в себя:
    -  пояснительную записку;
    -      заказные спецификации на приборы и средства автоматизации, электроаппаратуру, кабели и провода, трубопроводную арматуру, монтажные материалы, щиты и пульты, не стандартизированное оборудование, средства вычислительной техники;
    -  объектные и локальные сметы;
    -      структурные схемы контроля и управления комплекса технических средств (КТС);
    -  схемы автоматизации технологических процессов;

9

    -      принципиальные электрические (пневматические, гидравлические) схемы управления, сигнализации, измерения, регулирования и питания;
    -  общие виды щитов и пультов;
    -  монтажно-коммутационные схемы щитов и пультов;
    -  схемы внешних электрических и трубных проводок;
    -  направление трасс электрических и трубных проводок;
    -  планы размещения средств автоматизации и вычислительной техники;
    -  перечень типовых чертежей на установку средств автоматизации;
    -  общие виды нестандартизированного оборудования.
    Рабочие чертежи выполняются в соответствии с ЕСКД, с действующими стандартами на условные обозначения, руководящими и нормативными документами по проектированию и монтажу систем автоматики, электрического и противопожарного проектирования.
    Все части проектной документации должны быть изложены в строгой логической последовательности и взаимосвязи. Содержание работы иллюстрируется схемами, таблицами, диаграммами, графиками, фотографиями, рисунками и т. д. Пояснительная записка оформляется в соответствии с общими требованиями к текстовым документам по [3] и [4]. Она должна включать обоснования по принимаемым решениям, краткое описание используемых информационных технологий и расчеты с необходимыми пояснениями. В записке не должно быть пространных рассуждений и описания вопросов, не связанных с темой проектирования. Записка должна быть краткой и четко отражать сущность рассматриваемых вопросов.
    Техническая документация (ТД) выполняется на русском языке. Каждый структурный элемент ТД следует начинать с нового листа. Название структурного элемента в виде заголовка записывают строчными буквами, начиная с первой прописной, симметрично тексту ТД. Содержание основной части пояснительной записки должно отвечать заданию и ТЗ. Наименования разделов основной части должно отражать выполнение задания.
    Основные разделы пояснительной записки (ПЗ).
    Раздел описания технологического процесса как объекта автоматизированного управления и разработки архитектуры автоматизированной системы . В этом разделе описывают общую структуру и особенности технологического процесса, подлежащего автоматизированному управлению. В нем также необходимо обосновать выбор нормативных документов, определяющих требования к функциональному обеспечению АС.
    Раздел разработки перечня контролируемых величин и их сигналов. В этом разделе необходимо руководствоваться тем, чтобы при минимальном числе измерительных каналов обеспечивалась наибольшая наблюдаемость и управляемость технологического процесса. В ПЗ необходимо определить и описать:
    -  принципы организации контроля и управления технологическим процессом;
    -      технологическое оборудование, управляемое автоматически, дистанционно или в обоих режимах по заданию оператора;
    -      перечень и значения контролируемых и регулируемых параметров; пределы измерения и регулирования технологических параметров;

10

    -      методы контроля, места размещения КИПиА аппаратуры на технологическом оборудовании, на щитах и пультах управления.
    Контролю должны подлежать, прежде всего, те параметры, наблюдение которых облегчает пуск, наладку и эксплуатацию (управление) технологического процесса и, в случае необходимости, противоаварийную защиту. Раздел должен быть завершен разработкой функциональной схемой автоматизации.
    Раздел выбора компонентов АСУ ТП. В этом разделе необходимо обосновать выбор измерительного, исполнительного и контроллерного оборудования, обосновать выбор СУБД и SCADA систем. Должны быть приняты во внимание такие факторы как взрыво- и пожароопасность объекта, повышенное давление, температура. При выборе измерительных приборов следует обосновать погрешность каналов измерений (не только датчиков).
    Раздел разработки схем АСУ ТП. В этом разделе необходимо описать структурные схемы автоматизированной системы, функциональную схему автоматизации, принципиальную электрическую схему, схему сигнализации, схему размещения, схему монтажных соединений в шкафу управления, схему внешней разводки.
    Раздел выбора алгоритмов управления.. В этом разделе необходимо описать алгоритм работы АСУ ТП в целом и (или) отдельных его технологических узлов в словесной форме с использованием конструкции «Если ..., то ..., иначе ...» и (или) в виде формализованной логики в графическом виде. Примерами такого описания являются блок схемы управления пуском (остановом) технологического оборудования, схема сбора данных, структурная схема контурного (многоконтурного) регулирования параметрами технологического оборудования. Алгоритмы автоматического регулирования обычно выбираются либо в классе релейных, автоматных алгоритмов, либо в классе ПИД (АПИД) регуляторов.
    Раздел разработки программного обеспечения. В этом разделе разрабатывается программа для программируемого логического контроллера (ПЛК) обычно на одном из языков программирования МЭК 61131.
    Раздел разработки информационного обеспечения. В этом разделе должна быть разработана и описана система кодирования, идентификации сигналов и команд АС, схема информационных потоков АС, инфологическая модель базы данных.
    На практике процесс проектирования сложных систем управления производится методом декомпозиции, т. е. разделение объекта автоматизации на самостоятельные части и выделение простых составляющих. Таким образом, любая сложная система становится множеством взаимосвязанных между собой простых систем управления. Для каждой простой системы управления процесс проектирования можно разделить на следующие этапы:
    1.     Сбор информации об объекте управления. На данном этапе изучаются принципы работы объекта управления в объеме, необходимом для разработки технических решений при проектировании системы управления. Для этого используются соответствующие технологические регламенты, нормативная документация, а также другие источники информации, в которых описаны особенности эксплуатации объекта управления.

11