Теоретиические положения

Практическая работа №5

РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Цель занятия: научиться читать буквенные обозначения устройств авто- матизации и разрабатывать функциональные схемы автоматизации.

Ход работы:

1 Изучить теоретический материал

2 ответит на контрольные вопросы

3Выполнить практическое задание

4 Оформить отчет

Теоретиические положения

Функциональная схема автоматизации явля- ется основным технологическим документом, определяющим функ- циональную структуру и объем автоматизации технологических про- цессов. Представляет собой чертеж, на котором условными обозначе- ниями совмещены и изображены два «слоя» (рис. 3.1):

· технологический – объекты управления (т. е. технологические установки, аппараты, агрегаты и т. п.) и связывающие их ком- муникационные потоки (по сути, это материальные потоки). Формируется на основе схемы материальных потоков и их ин- формационных переменных;

· автоматизации – средства автоматизации (датчики, приборы, вы- числительные устройства, промышленные контроллеры и компь- ютеры и т. п.) с указанием связей между ними и технологическим оборудованием, а также связей между отдельными элементами ав- томатики. Формируется на основе структурной схемы САУ.

Рис. 3.1. Пример функциональной схемы автоматизации развернутым способом

Обозначение объектов управления. При построении функцио- нальной схемы автоматизации целесообразно располагать технологи- ческое оборудование и оборудование для перемещения материальных потоков (трубопроводы для потоков газообразных и жидких веществ, различные транспортеры для потоков сыпучих и твердых материалов) так, как это происходит традиционно при чтении: «слева-направо» и

«сверху-вниз».

Технологическое оборудование и оборудование для перемещения материальных потоков изображают упрощенно (контурно, без второ- степенных конструктивных деталей, чтобы оно было «узнаваемо»), но с учетом взаимного расположения с приборами и средствами автома- тизации. Допускается в отдельных случаях изображение частей объ- екта в виде прямоугольников с наименованием этих частей. Возле изображения делаются поясняющие подписи (наименование оборудо- вания или его позиционное обозначение) (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Примеры отображения объектов управления (технологического оборудования и оборудования для перемещения материальных потоков) на функциональных схемах автоматизации

Обозначение коммуникационных (материальных) потоков и их регулирующих устройств. Для газообразных и жидких материальных потоков на трубопроводах и воздуховодах показывают только те ре- гулирующие устройства (вентили, задвижки, заслонки, клапаны, за- порные устройства и т. п.), которые участвуют в системе контроля и управления. На линиях трубопроводов ставят стрелки, указывающие

направление потока вещества, желательно «слево-направо», т. е. от входа к выходу, даже если на технологической схеме они имеют дру- гое направление (кроме того, такие стрелки «приглашают» к чтению чертежа). Трубопроводы, идущие к конечным аппаратам и устройст- вам, в которых нет приборов и средств автоматизации, на схеме обры- вают. На месте обрыва ставят стрелку и дают пояснение, например: (к фильтру) или (от насоса) (рис. 3.3, а).

Для сыпучих и твердых материальных потоков показывают толь- ко те регулирующие устройства (различные транспортеры: ленточные, скребковые, ковшовые, шнеки и т. п.), которые участвуют в системе контроля и управления (рис. 3.3, б)

Рис. 3.3. Примеры отображения регулирующих устройств на материальных потоках:

а – на трубопроводах для газообразных и жидких сред (вентиль и насос);

б – для сыпучих веществ (шнек и ленточный транспортер)

Обозначение средств автоматизации: общие положения. На функ- циональных схемах в «слое» автоматизации показывают отборные уст- ройства (которые можно назвать чувствительными элементами измери- тельных устройств), измерительные преобразователи, преобразующие и регулирующие приборы, вычислительные устройства, линии связи, пере- ключатели, аппаратуру управления, исполнительные устройства, регули- рующие механизмы (органы), элементы индикации и сигнализации, раз- личные согласующие устройства и устройства обработки информации.

Простейшие вспомогательные устройства, такие как реле, источ- ники питания, выключатели и предохранители в цепях питания; со- единительные коробки и другие устройства, монтажные элементы, на функциональных схемах не показывают. Для сложных производст- венных процессов с большим объемом автоматизации функциональ- ные схемы могут быть выполнены раздельно, например: схемы авто- матического управления, контроля, сигнализации.

На рис. 3.4, а, – устройство, устанавливаемое по месту (круг диа- метром 10 мм), основное обозначение; б – устройство, устанавлива- емое по месту, допускаемое обозначение; в – устройство, устанавли- ваемое на пульте, в щите (круг диаметром 10 мм), основное обозначе- ние; г – устройство, устанавливаемое на пульте, в щите, допускаемое обозначение; д – исполнительный механизм, общее обозначение; е – исполнительный механизм, открывающий регулирующий орган (РО) при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала; ж – ис- полнительный механизм, закрывающий РО при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала; з – исполнительный механизм, который при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала оставляет РО в неизменном положении; и – исполнительный меха- низм с дополнительным ручным приводом; к – линия связи, общее обозначение; л – пересечение линии связи без соединения друг с дру- гом; м – пересечение линии связи с соединением между собой (пока- заны обозначения приборов и исполнительных устройств на функцио- нальных схемах автоматизации по ГОСТ 2.404 –85). Отборное устрой- ство не имеет специального обозначения, а представляет собой тон- кую сплошную линию, соединяющую технологический трубопровод или аппарат с первичным измерительным преобразователем. При не- обходимости указания точного места расположения отборного уст- ройства или точки измерения (внутри технологического аппарата) в конце тонкой линии изображается окружность диаметром 2 мм.

Рис. 3.4. Обозначение элементов функциональных схем автоматизации

Ключевыми на рис. 3.4 являются два устройства: а – устанавли- ваемое по месту, в – устанавливаемое на пульте, в щите. Следует пом- нить, что практически все первичные преобразователи (датчики) рас- полагаются по месту, а вторичные преобразователи, устройства ото-

бражения и регулирования – в щитах и пультах. Их отличие – присут- ствие или наличие линии диаметра, делящего круг пополам.

Устройства имеют форму круга (диаметром 10 мм), который ус- ловно можно разделить на две равные зоны (рис. 3.5):

– нижняя зона 1 – указывается позиция и позиционное обозначе- ние устройства. Состоит из двух частей: цифрового обозначения, присваиваемого комплекту (функциональной группе приборов), и цифровых индексов, присваиваемых отдельным элементам, входя- щим в комплект. Существует альтернативный вариант нумерации отдельных элементов – буквенными индексами (строчными буквами русского алфавита). Например, 1-1 (альтернативный вариант 1а), что означает: первый комплект, первое устройство; 1-2 (альтернативный вариант 1б), что означает: первый комплект, второе устройство и т. д. Одинаковым комплектам или однотипным элементам одного комплекта присваивают одинаковые позиции независимо от места их установки;

– верхняя зона 2 – при помощи буквенных условных обозначений (по ГОСТ 2.404–85) указывается переменная (П) и функция (Ф) уст- ройства.

Рис. 3.5. Зоны и поля заполнения устройств, устанавливаемых по месту и в щите или на пульте

Буквенные условные обозначения устройств располагают в сле- дующем порядке слева направо (рис. 3.5, зона 2, поля а, б и в):

а) обозначение основной измеряемой величины (П еременная);

б) обозначение, уточняющее, если это необходимо (!), основную измеряемую величину (У точнение);

в) обозначение или обозначения функционального признака или признаков прибора (Ф ункция).

Обозначение основной измеряемой величины. Измеряемые ве- личины (технологические переменные) обозначают следующими бук- вами (основное обозначение букв): D – плотность; E – любая электри- ческая величина; F – расход; G – размер, положение, перемещение; Н –

ручное воздействие; K – время или временная программа; L – уровень; М – влажность; Р – давление или вакуум; Q – величина, характери- зующая качество (состав, концентрацию и т. п.); R – радиоактивность; S – скорость или частота; Т – температура; U – несколько разнород- ных измеряемых величин; V – вязкость; W – масса; X – нерекоменду- емая резервная буква.

Обозначение, уточняющее, если это необходимо, основную из- меряемую величину. Дополнительные значения при использовании в качестве второй по порядку буквы в обозначении прибора имеют сле- дующие буквы: D – разность или перепад; F – соотношение (доля, дробь); J – автоматическое переключение или обегание; Q – интегри- рование (суммирование по времени).

Кроме того, часть букв, имеющих дополнительное значение, ис- пользуется для уточнения типа приборов: Е – первичное преобразова- ние (чувствительный элемент); K – станция управления; Т – промежу- точное преобразование (дистанционная передача); Y – преобразова- ние, вычислительные функции.

Буква Е (рис. 3.6) применяется для обозначения устройств, осу- ществляющих первичное преобразование сигналов (датчиков); Т – для обозначения приборов с дистанционной передачей показаний. Напри- мер, бесшкальных, K – для обозначения приборов, имеющих станцию управления, т. е. переключатель для выбора вида управления (автома- тическое – ручное) и устройство для дистанционного управления; Y – для построения обозначений преобразователей сигналов и вычисли- тельных устройств.

Рис. 3.6. Первичные преобразователи сигналов (датчики) наиболее часто встречающихся технологических параметров: температуры T, расхода F, давления P, скорости S

Обычно на первом месте ставится буква, обозначающая измеря- емую величину, а на втором месте – одна из дополнительных букв Е, Т, K или Y. Например, датчики расходомеров – FЕ; бесшкальные ма- нометры с дистанционной передачей показаний – РТ; бесшкальные расходомеры с дистанционной передачей – FТ и т. д.

В качестве буквы, имеющей дополнительное значение, применя- ют: Н – верхний предел измеряемой величины; L – нижний предел из-

меряемой величины. Буквы Н и L наносят вне графического обозначе- ния (справа от него).

Для конкретизации измеряемой величины (рис. 3.7) справа от изображения прибора необходимо указать наименование или символ измеряемой величины, например: напряжение, сила тока, рН, О₂ и т. п. Для обозначения дополнительных значений D, F, Q допускается при- менение строчных букв d, f, q.

H pH

LE QE QE

H₂SO₄

Рис. 3.7. Конкретизация измеряемой технологической переменной: первичный преобразователь

уровня с верхней (H igh) и нижней (L ow)

Обозначение функционального признака или признаков прибо- ра. При обозначении функций, выполняемых прибором, для отобра- жения информации используют буквы: I – показание; R – регистрация, для формирования выходного сигнала; С – регулирование или управ- ление; S – включение (отключение или переключение); А – сигнализа- ция. Если в одном приборе функциональных признаков несколько, то порядок расположения буквенных обозначений должен быть следу- ющим: I R C S А (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Неправильная и правильная последовательность

отображения функционального признака прибора

При построении условных обозначений преобразователей сигна- лов и вычислительных устройств применяют надписи, расшифровы- вающие вид преобразования или операции, выполняемые вычисли- тельными устройствами. Их наносят справа от графического обозна- чения приборов. Для обозначения рода энергии сигнала используются буквы: E – электрический; P – пневматический; G – гидравлический. Виды форм сигнала обозначают: А – аналоговый; D – дискретный. Операции, выполняемые вычислительными устройствами, обознача-

ют: ∑ – суммирование; K – умножение на постоянный коэффициент K;

× – перемножение двух и более сигналов друг на друга;: – деление сигналов друг на друга; f ⁿ – возведение величины сигнала f в степень n; n – извлечение из величины сигнала корня степени n; lg – логариф- мирование; dx / dt – дифференцирование; ò – интегрирование; ×(–1) – из-

менение знака сигнала; max – ограничение верхнего значения сигнала;

min – ограничение нижнего значения сигнала; В_i – передача сигнала на компьютер; В_о – вывод информации с компьютера.

Обозначение линий связи. Линии связи между приборами и средствами автоматизации на функциональной схеме изображаются однолинейно, тонкими сплошными линиями, независимо от факти- ческого количества проложенных проводов или труб. Подвод линии связи к символу прибора допускается изображать в любой точке окруж- ности (сверху, снизу, сбоку) по возможно кратчайшему расстоянию с минимальным числом изгибов и пересечений. Линии связи могут пересекать изображения технологического оборудования и комму- никаций.

При необходимости указания направления передачи сигнала на линиях связи допускается наносить стрелки. При большом количестве линий связи допускается их разрыв (т. е. развернутый способ см. рис. 3.1). Для удобства пользования схемой оба конца линии нумеру- ют одной и той же арабской цифрой. Нумерация разрывов линии свя- зи со стороны щитовых приборов дается в порядке возрастания номе- ров. Допускается разрывать только часть линий связи.

На участках линии связи непосредственно у прямоугольников, изображающих щиты или комплекты местных приборов, указывают предельные рабочие (максимальные и минимальные) значения кон- тролируемых или регулируемых величин. Разрежение (вакуум) обо- значается знаком (–). Для встраиваемых в технологическое оборудо- вание приборов, не имеющих линий связи с другими приборами, пре- дельные значения величин указывают возле обозначений приборов.

В случае функционального взаимодействия линий связи в месте их пересечения ставится точка.

Толщина линий должна быть следующей:

· линии контуров агрегатов 0,2–0,5 мм;

· трубопроводы 0,5–1,5 мм;

· обозначение приборов и средств автоматизации 0,5–0,6 мм;

· линии связи 0,2–0,3 мм;

· прямоугольники, изображающие щиты и пульты, 0,5–1,0 мм;

· выноски 0,2–0,3 мм.

Размеры букв и цифр выбирают следующие:

· для позиционных обозначений буквы и цифры высотой 3,5 мм;

· пояснительного текста и надписей 3,5–5,0 мм.

При необходимости на схеме располагают таблицу не предусмот- ренных стандартами условных обозначений (условные обозначения тру- бопроводов, приборов и средств автоматизации, полное название приня- тых сокращений и различных заимствованных и резервных букв).

Обозначение средств автоматизации: варианты применения. Приборы и средства автоматизации, расположенные на щитах, пультах, показывают в прямоугольниках, изображающих щиты и пульты (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Изображение щитов и пультов на функциональных схемах автоматизации

Приборы и средства автоматизации, расположенные вне щитов и конструктивно не связанные непосредственно с технологическим оборудованием и коммуникациями, условно показывают в прямо- угольнике «приборы местные». Прямоугольник располагают над пря- моугольником щитов (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Изображение приборов и средств автоматизации, расположенных вне щитов

Для однотипных технологических объектов, имеющих общие щи- ты, стативы с аппаратурой и приборами, на схеме рекомендуется по- казывать технологическое оборудование одного объекта, а приборы и средства автоматизации, устанавливаемые на щите, показывать пол- ностью для всех объектов.

Рассмотрим различные варианты. Приборы, применяемые для контроля (регулирования), однотипны, контролируемые параметры имеют одинаковые значения, при этом все повторяющиеся приборы показывают на щите один раз, а около их обозначения проставляют количество в штуках (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Приборы и средства автоматизации однотипны, и контролируемые параметры имеют одинаковые значения

Приборы однотипны, но контролируемые параметры имеют раз- личные значения; при этом следует показывать на щите все приборы. Около линий связи, соединяющих приборы и средства автоматизации с управляемым объектом (без показанного технологического оборудо- вания), дают пояснение, например: «от реактора 2» (рис. 3.12).

полуфабрикат

Рис. 3.12. Приборы и средства автоматизации однотипны, но контролируемые параметры имеют разные значения

При использовании многоточечного прибора для контроля ка- кого-либо параметра в нескольких однотипных аппаратах на схеме показывают только один технологический аппарат и один датчик, а около прибора показывают линии связи от остальных датчиков (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема включения многоточечного прибора для однотипных технологических объектов

Приборы и средства автоматизации, встраиваемые в технологиче- ское оборудование и коммуникации или механически связанные с ним, изображают на схеме в непосредственной близости к технологи- ческому оборудованию.

Примеры оформления функциональных схем автоматизации. В примерах (3.14–3.16) рассмотрены возможные варианты построения функциональных схем автоматизации, выполненные совмещенным способом на основе традиционных регуляторов.

Рис. 3.14. Функциональные схемы систем автоматического регулирования (стабилизации)

расхода жидкости (газа) при помощи изменения двух типовых схем: а – проходного сечения вентиля G, т. е. изменением его геометрии; б – числа оборотов насоса S, т. е. изменением его частоты

Рис. 3.15. Функциональная схема САУ (регулирования, стабилизации) массы сыпучего материала при помощи изменения числа оборотов:

а – ленточного конвейера; б – шнека

Рис. 3.16. Функциональная схема системы автоматического регулирования

(стабилизации) соотношения двух компонентов (жидкостей, газов) при помощи вентиля

Обозначение промышленных контроллеров (PLC) и рабочих станций SCADA-систем. Промышленные контроллеры (PLC) и опера- торские станции SCADA-систем (системы диспетчерского управления) изображают с помощью прямоугольников. Их располагают в нижней час- ти поля схемы в одном или нескольких горизонтальных рядах с указани- ем в каждом прямоугольнике соответствующего наименования.

При использовании агрегатированных комплексов (промышленные контроллеры) и управляющих машин (рабочие станции SCADA-систем) допускается, кроме общего наименования, приводить наименование их отдельных блоков и функций. При этом прямоугольник, изображающий комплекс (машину), делят горизонтальными линиями на части, число ко- торых соответствует количеству блоков (модулей) или функций.

Для промышленного контроллера (в прямоугольнике указывается его тип, например, Siemens, Omron, GE Fanuc, Allen-Bradley и т. п.) таким де-

лением является наличие аналоговых (Analog) и дискретных (Discrete) модулей ввода (Input) и вывода (Output). Таким образом, возможны сле- дующие варианты модулей: AI (аналоговый ввод), AO (аналоговый вы- вод), DI (дискретный ввод), DO (дискретный вывод) с уточнением кон- кретного типа модуля для соответствующего контроллера. Взаимосвязь между модулями ввода и вывода (т. е. реализацию обратной связи) пока- зывают условной штрихпунктирной линией, точно так же, как и обрат- ную связь на структурной схеме системы автоматического управления.

При обозначении функций, осуществляемых операторскими стан- циями SCADA-систем (указывается ее конкретная программная реали- зация, например, In Touch, iFix, Genesis, WinCC, Trace Mode и т. п.), це- лесообразно использовать те же буквы, что и при обозначении функ- циональных признаков приборов автоматизации: I – показание; R – ре- гистрация; С – регулирование или управление; S – включение (отключе- ние или переключение); А – сигнализация – и отмечать их наличие на мнемосхеме SCADA-системы соответствующим знаком (точкой).

На рис. 3.17–3.19 показаны примеры схем автоматизации с примене- нием промышленных контроллеров и рабочих станций SCADA-систем.

жидкость (газ)

1-1

2 б 1

Рис. 3.17. Функциональные схемы систем автоматического регулирования (стабилизации) расхода жидкости (газа) на основе промышленного контроллера и рабочей станции SCADA-системы при помощи изменения:

а – проходного сечения вентиля; б – числа оборотов насоса (частотное)

Рис. 3.18. Функциональная схема САУ

(регулирования, стабилизации) массы сыпучего материала на основе промышленного контроллера

и рабочей станции SCADA-системы при помощи изменения числа оборотов:

а – ленточного конвейера; б – шнека

Рис. 3.19. Функциональная схема системы автоматического регулирования (стабилизации) соотношения двух компонентов (жидкостей, газов)

при помощи вентиля на основе промышленного контроллера и рабочей станции SCADA-системы

ВОПРОСЫ

1. Дайте определение понятия «функциональная схема автомати- зации».

2. Изобразите наиболее часто применяемые обозначения на функ- циональных схемах автоматизации.

3. Каков порядок буквенных обозначений на функциональных схемах автоматизации и что они обозначают?

4. Поясните применение цифровых обозначений на функциональ- ных схемах автоматизации.

ЗАДАНИЕ

1. Составьте условные обозначения приборов по ГОСТ 2.404–85 в соответствии со следующими данными:

– температурное реле (прибор для измерения температуры, бес- шкальные, с контактным устройством, установленный по месту); диф- манометр (прибор для измерения перепада давления, показывающий, установленный по месту);

– электроконтактный манометр или вакуумметр (прибор для из-

мерения давления или разрежения, показывающий, с контактными устройствами, установленный по месту); дифманометр (ротаметр) бесшкальный с пневмо- или электропередачей (прибор для измерения расхода, бесшкальный, с дистанционной передачей показаний, уста- новленный по месту);

– счетчик-дозатор (прибор для измерения расхода, интегриру- ющий, с устройством для выдачи сигнала после прохождения задан- ного количества вещества, установленный по месту); манометр или дифманометр (используемый для измерения уровня, показывающий, установленный по месту);

– вторичный прибор влагомера (прибор для измерения влажности, регистрирующий, установленный на щите); датчик рH-метра (первич- ный измерительный преобразователь для измерения качества продук- та, установленный по месту);

– устройство электронно-тензометрическое сигнализирующее (при-

бор для измерения массы продукта, показывающий, с контактным устройством, установленный по месту); преобразователь сигнала, уста- новленный по месту, входной сигнал – пневматический, выходной – электрический.

2. По заданной схеме выберите все приборы и сделайте расшифровку обозначений: