2020-07-12
520В состав ГСП входят изделия как необходимые и достаточные для построения систем контроля, регулирования и управления производственными процессами и объектами различных отраслей народного хозяйства, так и для автономного применения при необходимости реализации отдельных функций этих систем.
Из многообразия СИ, необходимых для удовлетворения потребностей отраслей народного хозяйства, ГСП в настоящее время охватывает разработку и изготовление, главным образом СИ, используемых в системах автоматизации. Эти СИ объединяются в пять структурных групп измерения и регулирования: теплоэнергетических, электроэнергетических, механических величин, химического состава и физических свойств.
Ниже приведен состав величин, охватываемых каждой группой.
| Структурная группа величин | Состав измеряемых и регулируемых величин |
| Теплоэнергетические | Температура, давление, перепад давления, уровень, расход |
| Электроэнергетические | Сила электрического тока; электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила; активная мощность; реактивная мощность; полная мощность; коэффициент мощности; частота; индуктивность, взаимная индуктивность; электрическая емкость; электрическое сопротивление |
| Механические | Линейные и угловые величины; угловая скорость; момент силы, моменты пары сил; число изделий; твердость материалов; вибрация; звуковое давление; масса |
| Химический состав | Массовое содержание, химические свойства и состав газов, жидкостей, твердых тел |
| Физические свойства | Относительная влажность; электрическая проводимость; плотность; динамическая и кинематическая вязкость; мутность |
В связи с непрерывным усложнением задач управления объектами, обусловленного ужесточением требований к качеству продукции, экономии расхода сырья и уменьшению вредного воздействия на окружающую среду, в последние годы наметилась тенденция расширения круга измеряемых величин ГСП за счет показателей состава и физико-химических свойств сырья, промежуточных и конечных продуктов производства и др.
Основы построения ГСП
Системотехнические принципы построения ГСП
Структура системотехнических основ построения и развития ГСП базируется на следующих принципах и методах, регламентированных ГОСТ 26.207-83:
агрегатирования;
унификации сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков;
минимизации номенклатуры;
формирования гибких, перестраиваемых компонентов системы;
Принцип агрегатирования находит свое отражение в том, что наращивание и видоизменение функций отдельных ТС и создание на их основе систем автоматизации осуществляются за счет сочленения унифицированных блоков, модулей и комплектных изделий без необходимости внесения в них дополнительных конструктивных изменений.
Реализация принципа унификации сигналов, интерфейсов, несущих конструкций, элементной базы, модулей и блоков призвана обеспечить информационную, конструктивную, метрологическую, эксплуатационную, программную, надежностную и энергетическую совместимости изделий.
Использование принципа минимизации номенклатуры изделий ГСП предполагает максимальное удовлетворение потребности народного хозяйства в ТС ГСП на основе разработки и выпуска АК и унифицированных комплексов (УК) ТС, устройств одного функционального назначения с учетом того, что типоразмеры этих устройств вписываются в организованные определенным образом для них параметрические ряды.
Информационные основы. Уровневое построение
АСУТП делится на 4 уровня (см. рисунок).
Уровень возникновения информации. На этом уровне формируется первичная информация, поступающая в АСУТП, на этот уровень адресуются управляющие воздействия. По оборудованию это, в основном, датчики (первичные преобразователи), исполнительные механизмы (ИМ). Оборудование выбирается в соответствии с технологическими параметрами процессов. Датчики – в соответствии с измеряемыми параметрами, ИМ выбираются для обеспечения этих процессов.
Уровень контроля и управления технологическим процессом. Этот уровень предлагается как достаточно автономный, который при отсутствии связи с верхним уровнем способен работать достаточное время без потери информации и осуществлять автономное управление – в обычном и аварийном режимах. На этом уровне реализуется распределенная система управления на базе одной или нескольких полевых шин (Fieldbus). В качестве оборудование здесь используются ПЛК, в качестве ПО – средства программирования этих контроллеров.
Типичное подключение средств управления организуется с помощью кольцевой топологии по типу Главный-Подчиненный (Master-Slave). В такой промышленной сети может быть не один контроллер, могут быть и другие интеллектуальные устройства. Такая сеть должна обеспечить гарантированность и предсказуемость доставки, что является важным параметром технологического процесса реального времени. Для объединения таких сетей могут применяться соответствующие волоконно-оптические модули OZD. С их помощью можно организовать отказоустойчивую кольцевую или линейную топологию между Fielbus-сетями.
На этом уровне можно также производить переконфигурирование контроллеров и локально получать отображения хода технологического процесса на Notebook или специальные устройства вывода через последовательный интерфейс (RS-232). Выбор оборудования производится из следующих соображений:
скорости технологического процесса – система должна своевременно реагировать на события, происходящие на уровне процесса, оборудование должно своевременное реагировать на события, происходящие на уровне процесса, оборудование должно без задержек обрабатывать сигналы и при необходимости осуществлять буферизацию данных;
типового применения в данной области определенных Fieldbus-протоколов и тем самым Fieldbus-оборудования;
унифицированного применения ПТК для решения типовых задач ТП (электроэнергетика, ТЭЦ, водоканалы, ЖКХ и др.);
открытости технологий – взаимозаменяемости оборудования.
Уровень магистральной сети – входит не только в состав АСУТП, но и всей сети предприятия, а также может и являться самой этой сетью. На этом уровне проходит каналообразующая кольцевая магистраль с резервированием связей и отказоустойчивых технологий на базе Industrial Ethernet. Для гарантированности и предсказуемости передачи данных (отсутствие коллизий) следует использовать оборудование, обеспечивающее адресную передачу данных в Ethernet сети, тип передачи – полный дуплекс. Таким требованиям и требованиям промышленных условий соответствуют, например, коммутаторы фирмы Хиршманн, Моха. Из продуктовой линейки этих фирм также используется другое активное сетевое оборудование – трансиверы, маршрутизаторы, коммуникационные сервера и т.д.
Средства локального контроля и регулирования предназначены для построения одноконтурных систем контроля и регулирования простых объектов и систем автономного контроля и регулирования отдельных параметров сложных объектов. Эти средства, как правило, выпускаются в составе параметрических рядов и УК, создаваемых на основе базовых моделей.
Средства централизованного контроля и регулирования предназначены в основном для построения технического обеспечения систем автоматизации объектов, имеющих несколько сотен контролируемых и регулируемых параметров. Эти средства в настоящее время практически полностью выпускаются в составе АК.
ТС четвертого (верхнего) уровня иерархической структуры ГСП предназначены для построения управляющих вычислительных комплексов (УВК), позволяющих реализовать сложные алгоритмы управления объектом.
Использование конструктивно-технологического признака позволяет построить структурную схему ГСП, состоящую из взаимосвязанных классификационных группировок: типов изделий, типоразмеров изделий; модификаций или исполнений изделий; унифицированных и агрегатных комплексов.
Основной классификационной группировкой изделий ГСП является тип (базовая конструкция) изделия, Понятие тип изделия определяет классификационную группировку, включающую совокупность изделий одинакового функционального назначения и принципа действия, сходных по конструктивному исполнению и имеющих одинаковую номенклатуру главных параметров, определяющих основное функциональное назначение изделия. Например, для средств получения информации главными параметрами являются вид измеряемой физической величины и вид выходного сигнала (у преобразователей термоэлектрических, например, главными параметрами являются вид измеряемой физической величины – температура, вид выходного сигнала – термо-ЭДС).
В состав типа могут входить несколько типоразмеров, которые имеют определенные числовые значения главного параметра, или модификаций изделий, имеющих определенные конструктивные особенности или определенное значение неглавного параметра.
Совокупность типоразмеров, включающая типоразмеры изделий со всеми расположенными в определенном порядке числовыми значениями главного параметра данного типа, образует типоразмерный ряд по этому параметру. Например, выпускают ротаметры с электрической дистанционной передачей показаний типа РЭ 15 типоразмеров с верхними пределами измерений от 0,025 до 16 м3/ч по основному ряду предпочтительных чисел R5 [ГОСТ 8032-84 (СТ СЭВ 3961-83)].
Наряду с понятием модификации часто применяют понятие исполнение, которое определяет совокупность изделий одного типа, обладающих конструктивными особенностями, которые влияют на их эксплутационные характеристики. Например, имеются тропические исполнения многих изделий, которые отличаются повышенной влагостойкостью пропиточных и изоляционных материалов, устойчивостью к разрушающему воздействию тропических живых организмов.
Понятие унифицированного комплекса (УК) определяет объединение в комплекс изделий нескольких типов, которые предназначены для измерения разных величин или выполнения различных функций. Изделия УК должны быть одного принципа действия и иметь унифицированные конструктивные элементы. Как правило, их строят по блочно-модульному принципу на основе базовых конструкций, используемых в нескольких или во всех типах изделий комплекса.
Примером УК являются преобразователи измерительные «Сапфир-22» абсолютного и избыточного давления, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, которые имеют унифицированное электронное устройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.
Отличительной особенностью изделий УК является то, что соединение ТС комплекса между собой в любых сочетаниях не приводит к реализации новых функций этими средствами.
Понятие агрегатного комплекса (АК) определяет совокупность ТС, характеризующихся всеми составляющими совместимости и предназначенных для решения определенных задач автоматического контроля и регулирования.
Изделия АК создают на унифицированной конструктивной базе по блочно-модульному принципу построения с использованием базовых модулей. Различное сочетание устройств, входящих в АК, позволяет реализовать новые функции.
Агрегатирование в ГСП
Принцип агрегатирования применительно к изделиям ГСП определяет построение функционально более сложных устройств из ограниченного набора более простых унифицированных изделий (модулей) методом их наращивания и стыковки. При этом под модулем понимается конструктивно-целостная ячейка, выполняющая одну типовую функцию (например, усиление – модулем является усилитель постоянного тока, и т.д.). Применение принципа агрегатирования позволяет использовать рациональный минимум конструктивных элементов, обеспечивает взаимозаменяемость приборов в целом и отдельных их узлов, значительно упрощает и удешевляет процессы обслуживания и ремонта приборов, позволяет компоновать различные системы автоматизации с заданными техническими характеристиками, дает возможность совершенствования изделий ГСП, не прибегая при этом к их полному обновлению.
При построении изделий ГСП выделяют два метода (пути) агрегатирования. Первый метод заключается в том, что ТС с новыми характеристиками и (или) функциями создаются за счет агрегатного соединения унифицированных элементов, модулей и блоков на основе общей УБК или нескольких конструкций. Примером реализации этого метода являются параметрические ряды унифицированных датчиков теплоэнергетических величин с унифицированными пневматическим и электрическим сигналами. Несмотря на значительное разнообразие физической природы измеряемых величин, благодаря правильно выбранному принципу построения каждый датчик содержит унифицированный электрический или пневматический преобразователь измеряемой величины в усилие и измерительный блок.
Второй метод агрегатирования использует в качестве конструктивной основы систему унифицированных типовых конструкций (УТК), предназначенных для применения в качестве несущих конструкций устройств АК ГСП, в том числе измерительной и вычислительной техники, наладочно-испытательного оборудования для технологических установок. Узлы и детали этой системы можно использовать как для построения различных устройств, так и для их установки в любую из типовых конструкций, выполнить, в конечном итоге, конструктивно законченные устройства.
Принцип совместимости, реализуемый при построении АК, позволяет создавать техническое обеспечение систем автоматизации всех категорий для различных отраслей народного хозяйства, использовать при этом изделий АК на основе методов агрегатирования.
Информационная совместимость изделий ГСП
Обмен информацией различных устройств ГСП, входящих в системы автоматизации, осуществляется посредством сигналов связи и интерфейсов. Неотъемлемой функцией этих систем является измерение, в процессе которого исходная, как правило, непрерывная физическая величины преобразуется в непрерывный измерительный сигнал, который несет о ней информацию.
В аналоговых системах контроля и регулирования используют непрерывные (аналоговые) измерительные сигналы (ток, напряжение, световой поток, давление жидкости и т.п.), несущие количественную информацию об измеряемой физической величине, на основе которой осуществляется управление объектом.
В дискретных (цифровых) системах контроля и регулирования происходит промежуточное преобразование (кодирование) сигнала. В дальнейшем сигнал используют в цифровой форме, что позволяет исключить потерю содержащейся в нем информации.
Одновременно с формированием измерительной информации сигналы связи обеспечивают дистанционную связь ТС системы.
По характеру носители информационных сигналов связи ГСП подразделяют на две группы (см. рисунок).
Энергетические носители сигналов используют главным образом для формирования измерительной информации и дистанционной связи ТС; вещественные носители – для хранения и представления информации.
Наибольшее распространение в системах автоматизации получили электрически сигналы связи, обладающие такими преимуществами, как высокая скорость их передачи, дешевизна и простота прокладки линий связи, возможность передачи сигналов на значительные расстояния, универсальность и доступность источников энергии. Факторами, ограничивающими использование электрических сигналов, в ряде случаев могут быть пожаро- и взрывоопасность, недостаточная помехозащищенность.
Перечень основных унифицированных аналоговых сигналов ГСП
Из электрических сигналов наибольшее распространение нашли унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Они используются как для передачи информации от датчиков к устройствам управления и от них к исполнительным устройствам, так и для обмена информацией устройств управления.
Частотные сигналы используются, главным образом, в телемеханической аппаратуре и в отдельных АК.
Вопрос 2. Методы и приборы измерения температуры.
Способы измерения температуры
| Приборы контактного метода измерения | |||||||
| жидкостно-стеклянные | манометрические | битметаллические | динатометрические | Измерительные преобразователи | |||
| металические термопреобразователи сопротивления | полупроводниковые термопреобразователи сопротивления | термоэлектрические преобразователи | пьезометрические преобразователи | ||||
Наиболее распространены металлические термопреобразователи и термоэлектрические преобразователи
Приборы бесконтактного измерения температуры
| Пирометры | Тепловизоры | ||
| Яркостные | Радиационные | Цветовые | |
Вопрос 3. Термопреобразователи сопротивления их типы и НСХ.
Классификация:
По условию эксплуатации:
- переносные
- стационарные
По назначению:
- погружные
- поверхностые
- подшипниковые
- с унифицированным токовым выходом
По числу чувствительных элементов в одной зоне
По материалу чувствительного элемента:
платиновые -260…850ºС
медные -200…200ºС
никелевые 60…180ºС
Номинальная статическая характеристика (НСХ).
НСХ выражает зависимость между входной и выходной величиной
Так же термометры сопротивления характеризуются параметром W100, который показывает отношение сопротивления при 100º и сопротивления при 0º
для Pt W100=1,3910
Cu W100=1,428;
W100=R100/R0
Зависимость R от t варажается для платины полиномом 3й степени
Платиновые ТС
Rt =R0[1+At+Tt2+Ct3(t-100)] -200ºC≤t≤0ºC
Rt =R0(1+At+Bt2) 0ºC≤t≤650ºC
A= 0, 00397ºC-1; B=-5,829*107ºC-1 ;C=-4,33*10ºC-1
Медные ТС
Rt =R0 (1+αt); α=0, 00428 ºC-1
| Тип ТС | Номинальное значение сопротивления при 0ºC, R0, Ом. | Условное обозначение НСХ преобразователя | ||
| В народном хозяйстве СНГ | Мехдународное | |||
| Платиновые (ТСП) | 1 10 50 100 500 | 1П 10П 50П 100П 500П | W100=1,3850 Pt=1 Pt=10 Pt=50 Pt=100 Pt=500 | W100=1,391 Pt`1 Pt`10 Pt`50 Pt`100 Pt`500 |
| Медные (ТСМ) | 10 50 100 | 10М 50М 100М | W100=1,426 Cu=10 Cu=50 Cu=100 | W100=1,428 Cu`10 Cu`50 Cu`100 |
| Никелевые (ТСН) | 100 | 100M | Ni 100 | |
Если выбрали RPt 10П, то его номинальное R=10Ом, то при 100º - 138Ом
Вопрос 4. Схемы включения резистивного термодатчика в мостовую схему: 2-проводная, 3-проводная, условие равновесия мостовой схемы.
Мостовая измерительная схема
мостовая схема имеет 2 диагонали на одну из них подается Uпит. со второй снимается выходное напряжение Uout. которое равно:
Uout = (R1/R4-R2/R3)/(1+R1/R4)(1+R2/R3)
Как следует из выражения НСХ мостовой схемы не линейна.
 | |||
 | |||
Если Uout=0, то справедливо выполнение следующих соотношений:
R1/R4=R2/R3; R1R3=R2R4
Трехпроводная схема включения мостовой схемы
Достаточно часто ТС устанавливают на объектах расстояние до которого от мостовой схемы может измеряться десятками и сотнями метров в это случае используют данную схему включения терморезистора как видно из рисунка линия с включенным в диагональ измерительную схему, а линии А и В включатся в противоположные плечи при этом они при изменении R в линии взаимно компенсируют друг друга
 |
Вопрос 5. Термопары, принцип работы их типы и НСХ
(Термоэлектрические преобразователи)
Если взять два разнородных материала соединить (сварить) вместе, то на концах проводников возникает разность потенциалов. Эта разность объясняется следующим физическим эффектом:
 |
В каждом из проводников имеется различная концентрация свободных электронов. В правом (Б) концентрация выше, соответственно из Б электроны будут диффузировать в А В результат А приобретет отрицательный заряд а Б положительный. В результате появится разность потенциалов (потенциальный барьер) этот пот. барьер остановит процесс диффузии
При повышении температуры изменится концентрация свободных электронов и как следствие изменится величина ЭДС.
 |
Термопара всегда присоединяется к измерительному прибору в котором провода (место соединения) выполнены из меди. В результате чего возникает еще два (паразитных) термопарных соединений, эти спаи образуются в зоне прибора, называются холодными и на них всегда делается поправка, поправка осуществляется схемами компенсации t холодного спая.
Если термопара расположена достаточно далеко от измерительного прибора, то соединение производится компенсационными проводами.
В таблице приведены различные типы термопар и их НСХ.
 |
| Термопара | Коэф. термо ЭДС (мкВ/К) | Область применения | Температурный интервал, ºС | Обозначение |
| медь/константан | 40,9 | Окислительно-восстановительная, инертная среда или вакуум. Предположительно ниже 0 градусов. | -270 до 600 | T |
| железо/константан | 51,7 | Восстановительная и инертная среда, избегать окислительной и влажной среды. | -270 до 1000 | J |
| хромель/капель | 40,6 | Окислительная и инертная среда | -270 до 1300 | K |
| хромель/константан | 60,9 | -200 до 1000 | E | |
| Pt(10%)Rh/Pt | 6 | Окислительная и инертная среда, избегать восстановительные среды и пары металлов | 0 до 1550 | S |
| Pt(13%)/Rh-Pt | 6 | Окислительная и инертная среда. избегать восстановительной среды и пары металлов. | 0 до 1600 | R |
| константан/вольфрам | 42,1 |
Вопрос 6. Методы и приборы измерения давления.
Единицы давления
1кг см2 = 98066, Па (100 кПа) = 0,1 МПа
1кПа=1000Па (103Па)
1МПа=1000кПа=1000000Па(106Па)
1кг*с/м2=9,80665Па(10 Па)
1мм рт.ст.=133,322Па=13,59 мм вод.ст.
1 psi – фунт на квадратный дюйм
Манометры
По виду измерения: - Барометры
- Для измерения абсолютного давления
- Избыточного давления
- Вакуумметры
- Мановакуумметры
- Напорометры
- Тягометры ≤ -0,4 кгс/см2
- Тягонапорометры ±0,2кгс/см2
- Дифманометры P1-P2 (разность двух давлений)
По назначению: - Образцовые
- Лабораторные (контрольные)
- Технические (рабочие)
По принципу действия: Жидкостные (грузопоршневые, тепловые)
Деформационные, (мембранные, сильфонные, трубчатые)
Электрические (сопротивления, пьезоэлектрические, радиоизотопные, ионизационные)
Двухтрубный жидкостной У-образный манометр
 |
давление Рабс – Ратм = hρg
ρ – плотность жидкости
g – ускорение свободного падения
Основным чувствительным элементом деформационных манометров является мембрана, мембранная коробка, сильфон, трубка бурдона или спиральная трубчатая пружина
|
 | |||
| |||
Сигнализаторы давления мембранные
 | |||
 | |||
Электронные измерители давления фирмы «Метран»
Принципиальная схема конструкция приведена на рисунке.
 | |||
 | |||
при изменении давления мембрана деформируется, одновременно деформируьтся тензо эл-ты и изменяются условия равновесия мостовой схемы, на входе появляется Эл. сигнал который усиливается.
По виду измеряемого давления подразделяются на:
ДА, ДИ, ДИВ, ДД
Вопрос 7. Методы и приборы измерения расхода.
Существуют следующие методы измерения расхода:
Переменного перепада давления
Постоянного перепада давления
Скоростного напора
Объемные тахометрические
Электромагнитные
Ультрозвуковые
Тепловые
Инерциальные (кореолесовы)
Оптические
Вопрос 8. Метод переменного перепада давления.
Является самым распространенным и достаточно точным. Физ. сущность заключается в следующем: в трубопроводе в котором необходимо измерить расход жидкости, газа, устанавливается диафрагма (сужающее устройство), при этом до и после диафрагмы образуется перепад давления.
 |
1-дифференциальный манометр
2-дифрагма
При переходе жидкости или газа по трубопроводу наблюдается следующая картина
|
|
Рассмотрим 3 сечения A,B,C.
А - после него начинается сужение потока жидкости или газа
В – максимальное сужение потока жидкости или газа
С – сечение в котором восстанавливаются процессы течения
До диафрагмы и после образуются турбулентные завихрения жидкости или газа, которые приводят к потере давления Δр.
Зависимость расхода от перепада р1-р2, свойств жидкости или газа ρ (плотность) а так же конструкторской особенности диафрагмы характеризует след формулой
Вопрос 9. Основные типы сужающих устройств и особенности их применения. Назначение и схема подключения корректора объема газа.
Если при измерении расхода N изменяется давление то используют в этих случаях сопла и сопла Винтури
При измерении расхода газа для объективного расхода потребления газ приводят к нормальным условиям (760 мм рт.ст.; 20ºС)
Для этого используют схему измерения приведенную на рисунке.
1-манометр
2-дифференциальный манометр
3-термометр
4-диафрагма
Устройство которое вычисляет расход газа называется корректором.
Схема включения приведена на рисунке.
 |
Vну = V1*(P1/Pну)
