Процесс проектирования любой системы подразумевает последовательное прохождение определенных этапов увлекательного марафона. Причем каждый из них заканчивается, как правило, выпуском соответствующего результирующего документа. На структурных схемах показывают основные составляющие элементы будущего технического объекта и связи между ними. Далее все это детализируют на предмет функций, что данные связи обеспечивают. А от функций переходят к известной элементной технической базе, которая может последние реализовать. Затем конструктор инженер должен все увязать физически в пространстве, да с учетом известных ограничений.
Естественно, что а) это в общем, б) каждый тип систем имеет свою специфику.
Сегодня мы говорим про АСУТП. Обзорная статья (точка входа) для этого класса технических систем на канале размещена тут.
Схема функциональная (функциональной структуры)
В проекте АСУТП может разрабатываться несколько функциональных по своей сути схем. Коды для этих документов устанавливаются ГОСТ 34.201: С2 — функциональная (функциональной структуры) схема, С3 — схема автоматизации. Чаще всего их объединяют в один документ. Разработчик всегда должен помнить, что количество схем и прочих документов должно быть минимальным, но при этом содержать достаточные сведения для приобретения оборудования и материалов, изготовления, монтажа, наладки, эксплуатации и ремонта АСУТП.
В общем случае С2 — «документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия (установки) или изделия (установки) в целом» (ГОСТ 2.701). Согласно ГОСТ Р 59795 в его состав должны входить:
- элементы функциональной структуры АС (подсистемы АС);
- автоматизированные (или) задачи (комплексы задач); совокупности действий (операций), процедур;
- информационные связи между элементами и с внешней средой с кратким указанием характеристик сообщений и (или) сигналов и, при необходимости, связи других типов (входимости, подчинения и т. д.);
- детализированные схемы частей функциональной структуры (при необходимости).
Но, конечно, на практике рисуют такие схемы кто во что горазд.
Для чего она вообще может быть полезна? С случае сложной системы это документ, который позволит разработчику структурировать информацию и ничего не забыть. Его удобно согласовывать с заказчиком, когда техническое задание отсутствует или представляет из себя невнятное нечто. Ну и, конечно, схему стоит использовать для разъяснения заложенных принципов работы системы — не забудьте, что без их понимания потом налаживать и эксплуатировать АСУТП невозможно.
Довольно часто писать задание для себя приходится разработчику. Для этого он изучает все предоставленные заказчиком материалы, знакомится с доступной справочно-методической и нормативной литературой, потом пытается что-то выяснить у ответственных (заинтересованных) лиц, едет на обследование по месту (если там есть чего обследовать). В результате появляется некий документ, сводящий его понимание в понятную стороннему человеку декларацию того, что будет (или не будет) делать создаваемая им система. Функциональные схемы в качестве приложений просто напрашиваются. Ведь далее начинается самое интересное — согласование со всеми непричастными, но крайне ответственными товарищами. Наглядная графика процесс значительно упрощает и ускоряет.
Еще случается, что набор функциональных схем поступает в качестве задания от технологов или конструкторов. Очень редко, народ нынче слишком ленив энергоэффективный.
Вот какую структурно-функциональную схему мне прислали когда-то в качестве задания на автоматику котла (точнее целый набор на все регуляторы). Необходимость небольшого постоянного разряжения (20…30 Па) в верхней части топки необходимо для нормального горения: ничего не будет дымить в разные стороны, а факел будет всегда стоять устойчивым. Объект регулирования тут — топочная камера с газоходами до дымососа. К внешнему возмущаемому воздействию относится изменение расхода воздуха Gв в зависимости от тепловой нагрузки агрегата. Давление в верхней части топки Pт определяется датчиком давления PT и далее сравнивается с требуемым задаваемым вручную через пульт H значением. Сигнал рассогласования (как правило через усилитель) управляет положением направляющего аппарата дымососа HAд через пусковое устройство NS (в данном случае реверсивная сборка контакторов, но, конечно, уже давно стараются тут ставить частотный преобразователь). Положение направляющего аппарата GT поступает на пульт HKI, осуществляющий переключение управления с ручного на автоматическое и обратно, а также индикацию состояния.
Могли ведь вместо схем ограничиться исключительно текстовым описанием. По устоявшемуся правилу, основной исходный документ для разработки АСУТП — технологический регламент.
Кукую информацию еще дали? Технологическую схему газовоздушного тракта, чертежи (планы) котла с указанием возможных мест установки контрольно-измерительных приборов, да общий перечень измерений. Последний, конечно, можно придумать самостоятельно, если знакомы с оборудованием, но лучше получить его от кого-то более компетентного. Так-то параметры технологического процесса автоматчик знать не обязан, а корректно подобрать датчик без них нельзя. Куда там врезаться (устанавливать) в чужое оборудование — то вообще часто загадка загадочная.
Функции АСУТП в общем
Функции АСУТП в общем подразделяются на информационные, управляющие и вспомогательные.
Информационная функция (функция контроля) — это функции, содержанием которой является сбор, обработка и представление информации о состоянии (ходе) технологического процесса оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. По-другому — это функция системы автоматического контроля (САК).
Управляющая функция — это функция, результатом которой является выработка и реализация управляющих воздействий на технологический процесс. То есть это основная функция системы автоматического регулирования (САР). К управляющим функциям АСУТП относятся:
- формирование и передача на исполнительные устройства управляющих сигналов;
- определение рационального режима технологического процесса;
- выдача оператору рекомендаций по управлению технологическим процессом.
Разновидностью управляющей функции (и крайне важной) является блокирующая (защитная) функция (кто-то выделяет ее даже в отдельный класс функций, но по факту мы оказываем воздействие на процесс управления оборудованием), которая предназначена для предотвращения аварийных (или ошибочных) действий над объектом управления. Данные алгоритмы всегда имеют более высокий приоритет над любыми иными алгоритмами управления, включая ручное управление (если оно осуществляется через АСУ, естественно). Часто они реализуются на физическом уровне (через блокирующие устройства или релейную логику в цепях ручного управления).
Так система противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ) в случае выхода процесса за безопасные рамки (характерного параметра за верхний или нижний критический пределы) должна выполнить комплекс мер по защите оборудования и персонала.
Вспомогательные функции АСУТП – это функции, обеспечивающие решение внутренних задач системы (обеспечение заданного алгоритма функционирования технических средств системы, контроль их состояния и обеспечение надежности, хранение информации и т.п.).
Надо отметить, что в СП 77.13330.2016 функция контроля совмещается с регулированием (функция контроля и регулирования) и отделяется от управления. То есть поддержание технологического процесса согласно технологическому регламенту не тождественно выработке и реализации управляющих воздействий на ход технологического процесса в целом (функция управления).
В архитектурно-строительном проектировании для рабочей документации согласно ГОСТ 21.408 функциональная схема (С2) отдельно в основном не разрабатывается, а выполняется схема автоматизации (С3), которая должна включать контуры контроля, регулирования и управления. То есть совокупность отдельных функционально связанных технических средств автоматизации, выполняющих определенную задачу по контролю, регулированию, сигнализации, управления и т. п.
Схема автоматизации
В состав проекта по автоматизации, не важно по каким стандартам вы его разрабатываете, должна быть схема автоматизации (С3). Это главный интеграционный документ для технологии и ее автоматики. В-принципе, имея схему автоматизации, можно разработать и изготовить, как минимум, щиты управления. Схема охватывает полевое оборудование нижнего уровня и показывает его связь с приборами, средствами управления среднего и верхнего уровней.
Согласно ГОСТ Р 59795 в ее состав должны входить:
- упрощенное изображение объекта или его части, для которой составлена схема;
- средства технического обеспечения, участвующие в процессе, отображенном на схеме, за исключением вспомогательных устройств и аппаратуры;
- функциональные связи между средствами технического обеспечения;
- внешние функциональные связи средств технического обеспечения с другими техническими средствами;
- таблицу примененных в схеме условных обозначений, не предусмотренных действующими стандартами.
Если технологическая система сложная, то выполняют такие схемы для отдельных подсистем, с обязательным выпуском укрупненной схемы комплекса-технических средств (КТС АС) в целом (она имеет обозначение С1 и будет рассматриваться в соответствующей статье).
Итак, вы ознакомились с посланной богами технологией и протекающими в ней процессами, определили условия нормальной работы всего этого добра и главное — параметры для контроля и регулирования. У вас уже есть функциональная схема (хотя бы в голове) — вы понимаете как будете реализовывать ту или иную функцию из технического задания.
Теперь вооруженные знаниями вы можете взять технологическую схему и готовить (хотя кого я обманываю) ее для нанесения остальной информации. По-хорошему нужно убрать лишнее, чтобы она читалась легче. Ну кто это делает-то?
Теперь нам надо перенести функциональный контур управления на технологическую схему. Наносим средства технического обеспечения, участвующие в процессе. Однозначно это будет прибор для измерения давления (разряжения), далее нам потребуется указать пускозащитную аппаратуру направляющего аппарата дымососа, не забыть про возможность ручного ею управления. Вообще в контуре регулирования используется сигнал общего расхода воздуха, хотя измерение его осуществляется в рамках другого регулятора — покажем его.
Физически регулирование в контурах могут выполнять отдельные устройства (например, измеритель-регулятор), но такое сейчас реализуется в основном только в случае, если объект автоматизации ну совсем простой. В подавляющем большинстве «мозгом» АСУТП является программируемый логический контроллер (ПЛК). Покажем его также. Потом свяжем это все между собой линиями электрических связей, добавим граничные предельные значения измеряемых (регулируемых) величин для измерительных приборов. Предположим, что наша локальная система с внешним миром информацией не обменивается.
Оформление схемы автоматизации
Как оформлять схему автоматизации вообще рассказано в ГОСТ 21.408. Условные обозначения для нее приводятся в ГОСТ 21.208. Вы можете использовать (однако не рекомендуется) другие обозначения, если приводите на схеме их расшифровку.
Схемы автоматизации выполняют двумя способами. Выше показан участок схемы автоматизации, выполненный в упрощенном виде.
Как видите, это просто. Считаем, что технологическая схема нам приходит как есть.
Все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте, изображаем тут в виде окружностей. Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторных помещениях, то внутри окружности проводим горизонтальную разделительную линию. Если прибор используется для функции управления, то его помещаем в квадрат (прямоугольник). Ну и далее, исходя из требований ГОСТ.
Сверху в окружности мы указываем символьное обозначение измеряемых величин и функциональных признаков, снизу позиционное обозначение. Я в качестве позиционного обозначения использую номер контура и порядковый номер устройства в его рамках.
Вы, вероятно, отметили, что в изначальной структурно-функциональной схеме наш датчик давления обозначался «PT», а после стал «PI»? Буква «Т» согласно ГОСТ 21.208 (таблица 2) в качестве функционального признака прибора обозначает «преобразование». Дело в том, что физически прибор может состоять из нескольких блоков. Так от размещенного по месту датчика «PT» нам ни жарко, ни холодно. Электрический сигнал мы передаем на щит управления, где какой-то вторичный показывающий прибор осуществляет его перевод в нужное значение величин «PI» для дальнейшего использования.
При упрощенном методе построения схемы приборы и средства автоматизации, осуществляющие сложные функции, например контроль, регулирование, сигнализацию в виде отдельных блоков, изображают одним условным обозначением (не значимые функции упускают, остальные объединяют). При этом первичные измерительные преобразователи и всю вспомогательную аппаратуру не показывают. Вообще указывают не все возможные функциональные признаки прибора, а лишь те, которые используют в схеме.
Так датчик давления у нас свелся к его функции «просмотра», при этом сигнал давления поступает в ПЛК с обозначением «UC»: «несколько разнородных измеряемых величин», плюс «автоматическое регулирование, управление».
Таким образом, упрощенная схема автоматизации дает общее представление о функциональных узлах системы, однако многие элементы АСУТП на ней не показываются (первичные измерительные преобразователи, вспомогательная аппаратура и т. д.). Часть же функций может и утеряться. Для нашего примера, на структурно-функциональной схеме были показаны блоки концевых выключателей положения направляющего аппарата «GT» для отображения на пульте оператора — на упрощенной схеме данный элемент оказался специально пропущен. Нет, его можно (и нужно) было показать, однако, как показывает практика — такие мелочи в основном не отображают, чтобы не загружать схему. Как следствие, выполнить схему в таком виде можно быстро, но при разработке последующих документов и детализации АСУТП вероятность ошибок увеличивается.
При развернутом методе построения каждый прибор или блок, входящий в единый измерительный, регулирующий или управляющий комплект средств автоматизации, указывают отдельным условным обозначением.
Давайте посмотрим, как может выглядеть цепочка блоков, осуществляющая регулирование по давлению, расходу, уровню, температуре.
Что такое первичный преобразователь? Ну вот измерение температуры осуществляется термопарой, на выходе которой сигнал без усилителя и преобразователя не имеет практического смысла. Его надо подавать на вторичный прибор. Передающий преобразователь — это измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала информации. Вторичный прибор — конструктивно обособленный элемент измерительной системы, который показывает, регистрирует (а иногда и регулирует) значения измеряемых величин. Регулятор — отдельный контроллер или может иное устройство (регулятор, компьютер и т. д), осуществляющий регулирование.
В части расшифровки, если вы еще не запомнили все эти буквы, то уже знаете, где смотреть. Повторяться не буду. Проиллюстрируем сведения из таблицы графически.
На развернутой схеме автоматизации первичные приборы, встраиваемые в технологические коммуникации, показывают в разрыве таких коммуникаций, а устанавливаемые на технологическом оборудовании (с помощью закладных устройств) показывают рядом. Остальные технические средства автоматизации отображают в так называемом подвале, таблице, показывающей их физическое расположение (приборы местные, щит, пульт и т. д.). В том числе обычно размещают электроаппараты — звонки, сирены, сигнальные лампы, табло, электродвигатели и др.). Все элементы объединяют линиями связи, причем для повышения читаемости с разрывами. Места разрывов нумеруются арабскими цифрами в порядке их расположения в таблице подвала.
На что хочется обратить внимание. Все оборудование должно иметь единое буквенно-цифровое обозначение в рамках проекта. На практике же — на схеме автоматизации показывают одно, на электрических схемах и прочих — другое, в спецификациях — вообще ничего непонятно. В ГОСТ 21.408 (п.5.3.6.3) указано, что обозначения приборов из нижней части окружности должны присваиваться по спецификации оборудования.
Итак, развернутая схема позволяет показать взаимное расположение технологического оборудования и коммуникации между средствами автоматизации. Она отображает дополнительные функциональные признаки приборов и промежуточные операции с сигналами. Однако, разработка требует значительно больше времени, а сама схема становится значительно труднее для чтения.
Справедливости ради надо сказать, что для многих сотен схем автоматизации, которые прошли через мои руки трудно сказать, к какому типу они относятся. Рисуют кто и во что горазд и как в данный момент удобно.
Взаимодействие специалистов технологов и АСУТП
Ну и напоследок. Бывает так, что в процессе работы автоматчика возникает необходимость что-то подправить, изменить на технологической схеме. Согласно 5.2.2 СП 77.13330.2016 закладные или конструкции для монтажа первичных приборов, для установки отборных устройств датчиков давления, расхода и уровня и др. (заканчивающиеся запорной арматурой), индивидуальные измерительные приборы, регулирующие и запорные органы учитываются в технологической части проекта. На практике специалисты, конечно, часто устраивают «перетягивание каната наоборот», поэтому границы проектирования между частями проекта (ТХ, ОВ, ВК и АТХ) должны быть однозначно определены на берегу. Ведь эти закладные устройства, а также трубопроводы и некоторые материалы должны выполняться технологами по заданию проектировщиков АТХ, выбирающих первичные измерительные приборы. Проблема в том, что специалист АСУТП часто приступает к работе в самом конце проектирования, когда технолог уже сказал «ой, а я все».
Но, ясен пень, любые изменения технологической схемы должны быть взаимно согласованы технологами и автоматчиками. Правда, для этого над проектом должна работать команда, а не три отдельных фрилансера: из Магадана, с Новгорода и Тбилиси.
Источники, дополнительная информация
- ГОСТ 2.701–2008 «Единая система конструкторской документации. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению»
- ГОСТ 34.201–2020 «Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Виды, комплектность и обозначение документов»
- ГОСТ Р 59795–2021 «Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Требования к содержанию документов» (взамен: РД 50–34.698–90 «Автоматизированные системы. Требования к содержанию документов»)
- ГОСТ 21.101–2020 «Система проектной документации для строительства. Основные требования к проектной и рабочей документации»
- ГОСТ 21.208–2013. «Система проектной документации для строительства. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах»
- ГОСТ 21.404–85 «Система проектной документации для строительства. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах»
- ГОСТ 21.408–2013 «Система проектной документации для строительства. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов
- СП 77.13330.2016 «Системы автоматизации. Актуализированная редакция СНиП 3.05.07-85»
- Несторов А. Л. Проектирование АСУТП: Методическое пособие СПб.: Издательство ДЕАН, 2009 (в двух книгах)
Ознакомиться с содержанием журнала.
Уважаемые коллеги, желаю хорошего дня. Подписывайтесь, чтобы иметь возможность обсудить со мной вашу задачу в комментариях. Буду рад лайку, альтернативному мнению или истории по теме статьи.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №1: Оценки, суждения и предложения по рассматриваемым вопросам являются личным мнением автора.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №2: Техническая информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владелец сайта не несет никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной из данного источника.
Все изображения, если не указано иное, либо выполнены автором, либо взяты из открытых источников.