Локальные АСУ ТП: обвязка для терморегулятора

Скачать статью в PDF

---

14 Ноя 2018

Опубликовано в журнале Control Engineering Россия №3, май 2018

Скачать статью в PDF

В данной публикации автор рассматривает на аппаратном уровне вопросы взаимодействия терморегулятора (измерителя-регулятора) и периферийных устройств, которые могут быть подключены к нему при организации локальной АСУ ТП. Приведены конкретные примеры локальной АСУ ТП.

Журналы по автоматизации пестрят уникальными инновационными проектами различных АСУ. Объектом автоматизации может выступать что угодно: «умный» дом, «умная» деревня, угольная шахта, система водоснабжения мегаполиса и пр.

Но недорогие локальные АСУ ТП, которые решают такие задачи, как выпекание хлеба, обжиг кирпича, закалка стальных деталей и т. д., никуда не денутся — они по-прежнему актуальны. В технической литературе по отношению к локальной АСУ ТП также употребляется термин «локальные регуляторы». Это устройства, которые сочетают функции измерения технологического параметра, его индикации и управления этим параметром. Как правило, локальные регуляторы контролируют не более 10 технологических параметров, территориально расположены близко от объекта автоматизации и не позволяют вносить изменения в алгоритм регулирования.

Терморегуляторы

Главным функциональным узлом в локальной АСУ обогревом (или охлаждением) технологического процесса, вокруг которого строится сама система, является терморегулятор (измеритель-регулятор). Терморегуляторы (многоканальные или одноканальные) предназначены в основном для измерения и автоматического регулирования температуры в таких системах.

Данное решение позволяет выполнять следующие задачи:

• многоканальное или одноканальное регулирование температуры;
• регулирование разности температур между каналами;
• работа в режиме двух-, трехпозиционного или ПИ-/ПИД-регулирования температуры;
• сигнализация различных температурных режимов;
• измерение, сигнализация, регулирование температуры в распределенных системах, АСУ ТП и др.

Функциональная схема двух­канального терморегулятора с подключенными датчиками температуры (термопреобразователями сопротивлений) представлена на рис. 1.

Многоканальный терморегулятор содержит:

• устройство ввода информации (аналого-цифровой преобразователь с коммутатором каналов);
• устройство управления (микроконтроллер, ПЗУ с программой, энергонезависимое запоминающее устройство, в котором сохраняются параметры регулятора при отключенном питании);
• устройство формирования выходных сигналов;
• пульт управления с индикаторами режимов работы регуляторов и состояния выходных сигналов;
• встроенный формирователь сетевых интерфейсов (RS-485, САN, PROFIBUS и пр.);
• встроенный блок питания.

В состав каждого канала измерения и регулирования терморегулятора, как правило, входят такие функциональные узлы, как универсальный вход, блок обработки данных и выходное устройство.

Под универсальным входом понимается устройство, к которому подключаются первичные датчики (термопары, термопреобразователи сопротивления, датчики с унифицированными выходными сигналами). Если, например, к входу подключается термопреобразователь сопротивления (ТПС), то его сопротивление преобразуется в соответствии с его номинальной статической характеристикой (НСХ) в значение измеренной температуры. Измеряемое сопротивление трансформируется аналого-цифровым преобразователем в цифровой код, поступающий на микроконтроллер блока обработки данных. В данном блоке цифровое значение измеряемой величины может быть подвергнуто фильтрации (для уменьшения влияния случайных помех), коррекции и масштабированию. Микроконтроллер блока обработки данных, работая по заданной программе, управляет состоянием выходных устройств, обменом информацией по интерфейсу и т. д.

Полученное значение отображается на измерительном индикаторе терморегулятора. Тип применяемого первичного датчика и диапазон измерения устанавливаются отдельно для каждого канала при конфигурировании (начальной установке). Все ПИД-регуляторы сравнивают измеренное значение канала с заданными величинами (уставками). Они обрабатывают сигнал рассогласования между измеренным сигналом и уставкой и выдают сигнал управления на широтно-импульсные модуляторы. Параметры работы и функции ПИД-регуляторов задаются независимо для каждого канала. Выходные сигналы терморегуляторов с выходных устройств управляют внешними исполнительными устройствами. Выходное устройство может быть ключевым или аналоговым. В качестве ключа может применяться транзистор с открытым коллектором, транзисторная оптопара, симисторная оптопара или электромагнитное реле. Аналоговое выходное устройство — это, как правило, аналоговый выход по току или по напряжению. Выходные устройства терморегуляторов гальванически развязаны от остальной схемы терморегулятора. Компараторы H и L предназначены для сигнализации выхода измеряемого технологического параметра за допустимые пределы. Встроенное выходное устройство с законченными сетевыми интерфейсами управления (RS-422, 485; CAN, USB, PROFIBUS, Ethernet и пр.) — необходимая опция современного терморегулятора.

Примеры реализации АСУ ТП

На рис. 2 приведена структурная схема локальной АСУ ТП с реализацией одноканального двухпозиционного регулирования.

В данном случае терморегулятор управляет тепловой пушкой (тепловентилятором), в состав которой входят нагреватель и вентилятор. Аналогичная схема может применяться для многоканальных терморегуляторов: каждый канал может управлять независимым нагревателем (холодильником) и контролировать соответствующие температуры нагрева (в нужных зонах нагрева). При этом периферия для терморегулятора (кроме, конечно, датчиков температуры) представляет собой различные коммутационные устройства. Мощные силовые — для включения нагрузок (нагревателей, вентиляторов, холодильников (чиллеров)). Управляющие коммутационные устройства — реле времени, блоки реле, а также кнопки, индикаторы, средства световой и звуковой сигнализации — позволяют реализовать, как правило, несложный алгоритм контроля и управления процессом при двух- и трехпозиционном регулировании.

Однако есть огромное множество задач, где конкретная температура должна поддерживаться определенное время или в заданные интервалы времени. Для их решения предназначены программные регуляторы (например, Метакон-613 и Метакон-614, описание которых приведено в [2]). Но в каких-то случаях может оказаться более целесообразным и дешевым применение обычного регулятора и реле времени. Рассмотрим пример: имеется электрическая печь для закалки деталей. Все операции по закладке деталей в печь и выемке из печи совершаются термистом вручную. Выдержка деталей при температуре (Т±DТ) °C производится в течение t часов. Отсчет времени должен начинаться с момента достижения температурой уставки (то есть Т °C), так как при помещении детали в печь последняя успевает остыть ниже допустимого уровня. Через t часов термисту необходимо включить световую и звуковую сигнализацию.

На рис. 3 приведена структурная схема локальной АСУ ТП с реализацией поддержания температуры в заданный интервал времени.

Эта схема является частным случаем структуры, приведенной на рис. 2. В данном случае для реализации временных задержек в рабочем цикле АСУ ТП задействовано двухканальное реле времени ЭРКОН-224. Для увеличения эксплуатационного срока службы рекомендуется перед выключением оставить тепловентилятор работать несколько минут в режиме вентилятора для снятия остаточного тепла электронагревателя. С этой целью необходимо предусмотреть автоматическую задержку выключения вентилятора. После выключения тепловентилятора вентилятор продолжает продувку до тех пор, пока температура электронагревателя не снизится до заданной величины. Задержка времени на выключение вентилятора задается в канале №1 реле времени, а задержка времени на включение световой и звуковой сигнализации в технологическом процессе — в канале №2.

Следующий пример приведен для случая, когда многоканальный термо­регулятор поддерживает температуру в заданные интервалы времени. Количество временных интервалов соответствует числу выходных каналов терморегулятора. На рис. 4 приведена структурная схема локальной АСУ ТП для 6-канального терморегулятора МЕТАКОН-562.

Три реле времени ЭРКОН-224 (№1–№3) обеспечивают выполнение заданного алгоритма работы АСУ ТП: поддержание заранее заданной температуры на шести интервалах времени (в каждом временном интервале своя определенная температура). В качестве источника обогрева применяется мощная тепловая пушка, поэтому канал №1 реле времени ЭРКОН-224 №4 задействован в алгоритме ее работы. Для увеличения количества программируемых интервалов времени в рабочем цикле АСУ ТП необходимо просто подключить больше реле времени. На рис. 5 приведена структурная схема локальной АСУ ТП с реализацией ПИД-регулирования для электроприводной арматуры.

При применении многоканальных терморегуляторов каждый канал обеспечивает управление своим клапаном с приводом от однофазного электродвигателя и сигнализацию по двум независимым уровням. Использование реверсивного блока коммутации (БКР) позволяет управлять как электродвигателем привода клапана, так и электромагнитным тормозом исполнительного механизма.

В АСУ ТП, помимо терморегуляторов, в качестве функционального ядра также могут быть задействованы промышленные контроллеры. Например, такие как контроллер систем вентиляции ТРМ1033, контроллер для одно- и двухконтурных систем отопления и ГВС ТРМ232М. Данные контроллеры предназначены для решения конкретных задач под определенные функциональные схемы. Внешний вид ТРМ232М приведен на рис. 6.

Контроллер ТРМ232М изготавливается в нескольких вариантах исполнения, которые отличаются друг от друга типом встроенных выходных устройств, предназначенных для управления внешними исполнительными механизмами и устройствами. Он обеспечивает управление системами отопления и горячего водоснабжения в офисных, жилых, складских, промышленных, торговых и иных зданиях и может выполнять следующие функции:

• измерение, контроль и регулирование основных параметров:
  • температуры воды в контуре;
  • температуры прямой воды;
  • температуры обратной воды;
• измерение дополнительных физических параметров:
  • температуры наружного воздуха;
  • давления в контуре.

ТРМ232М также имеет встроенный ПИД-регулятор. Одна из функциональных схем оборудования для одноконтурного отопления, управляемого посредством ТРМ232М, приведена на рис. 7.

Всего в контроллере заложены пять функциональных схем (схем регулирования), описание которых приведено в [1]. Конфигурирование контроллера — задание уставок, алгоритма работы, схем регулирования — осуществляется либо с клавиатуры на передней панели, либо посредством интерфейса RS-232 с ПК, либо через сетевой интерфейс RS-485. Периферийные устройства, приведенные на рис. 2–5, можно применить при управлении исполнительными механизмами, которые представлены на рис. 7.

Заключение

Применение терморегуляторов и контроллеров с периферийными устройствами, которые разработаны под конкретную систему обогрева (охлаждения), позволяет оптимизировать систему управления в целом. Конфигурация АСУ ТП при проведении ремонтных и пусконаладочных работ заключается в настройке ее отдельных элементов. В функциональном ядре АСУ ТП (терморегулятор, контроллер и пр.) оправдан ручной режим работы, который упрощает конфигурацию системы при проведении ремонтных и пусконаладочных работ.

На рынке средств автоматизации для локальных АСУ ТП широко представлена продукция отечественных производителей, которые могут изготовить и поставить практически весь спектр необходимых приборов и оборудования. Надежность их устройств подтверждена многолетней практикой эксплуатации в тяжелых промышленных условиях. Гарантийные обязательства отечественных производителей на поставляемые средства автоматизации распространяются на срок до 36 месяцев. Потребителю может быть предложена опытная эксплуатация приборов и оборудования. Вся измерительная и регулирующая аппаратура отечественных производителей, применяемая в АСУ ТП, зарегистрирована в Госреестре средств измерений.

Литература

1. owen.ru
2. сontravt.ru