Вопрос 1. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Состав, назначение, принципы построения. Иерархическая структура  ГСП, построенная по функционально-целевому признаку. Информационная совместимость изделий ГСП.

Общие принципы построения ГСП

Приборы и средства автоматизации. (ПрСА) – совокупность технических средств (ТС) ГСП, включающих в себя средства измерения (СИ) и средства автоматизации (СА) отраслевого назначения, предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации для контроля, регулирования и управления. К ним относятся также агрегатные комплексы (АК) измерения и регулирования тепло-, электроэнергетических и механических величин, химического состава и физических свойств газов, жидкостей и твердых тел; вторичные приборы и индикаторы; регуляторы; задатчики; исполнительные механизмы; релейно-контактные устройства; функциональные и логические электронные устройства; источники питания.

Естественный сигнал – сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяется физическими свойствами преобразователя и диапазоном изменения измеряемой величины.

Унифицированный сигнал – сигнал, у которого вид носителя информации и диапазон его изменения не зависят от вида измеряемой величины, метода измерения и диапазона изменения измеряемых величин.

Совместимость ТС – возможность автоматического взаимодействия ТС в заранее предусмотренных их сочетаниях при построении более сложных комплексных устройств и систем без необходимости применения дополнительных или изменения используемых средств.

Интерфейс, по ГОСТ 15971-84, – совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств цифровой вычислительной системы и (или) программ.

СИ и СА – компоненты системы – должны обеспечивать информационную, электрическую и конструктивную совместимость в соответствии с интерфейсом.

Работоспособность устройства – состояние устройства, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения своих заданных технических характеристик (параметров) в определенных фиксированных пределах, называемых областью работоспособности.

Надежность изделия – свойства изделия сохранять значения установленных параметров функционирования в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания (ТО), хранения и транспортирования.

Системы автоматизации – совокупность систем автоматического контроля, регулирования и управления (САКРиУ) следующих категорий: локальных, централизованных САКРиУ, автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Составными элементами систем автоматизации являются системы автоматического регулирования, управления, сигнализации, схемы автоматических блокировок и технологических защит.

Иерархический принцип управления в технике – принцип построения многоступенчатых систем управления, при котором функции управления распределяются между соподчиненными частями системы.

Нормативно-техническая документация (НТД) – графические и текстовые конструкторские и технологические документы, устанавливающие обязательные и рекомендуемые требования, нормы, методы или конструкции изделия, используемые при проектировании, испытаниях, эксплуатации или ремонте. К основным видам НТД относятся стандарты всех категорий, методические указания, руководящие технические материалы и методики институтов, общие технические требования, правила и руководства по применению, типовые технологические процессы, типовые методики испытаний, ограничительные перечни и т.п.

Измеряемые и регулируемые величины

В 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 R_Pt 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