Из чего состоит контур автоматизации

В центре системы находится реальный объект: резервуар, печь, теплообменник, насос, компрессор, колонна, реактор или целая производственная линия. Объект имеет входы и выходы. Вход - то, что воздействует на объект; выход - состояние или результат, который получается вследствие этого воздействия.

Для теплообменника входом может быть расход пара, а интересующим выходом - температура нагреваемого продукта. Для резервуара управляемым входом является расход поступающей жидкости, а выходом - уровень. Такая модель «input -> process -> output» помогает разложить даже сложный технологический объект на понятные элементы.

Чтобы система получила информацию, физическая величина должна повлиять на чувствительный элемент. Температура изменяет сопротивление RTD или термо-ЭДС термопары; давление деформирует мембрану; уровень влияет на время прохождения ультразвукового импульса или отражение радиолокационного сигнала. На этом этапе физическая величина превращается в другой измеримый эффект.

В разговорной практике слова «датчик», «сенсор» и «преобразователь» часто используют почти как синонимы. В инженерной документации полезно различать чувствительный элемент и transmitter - преобразователь, который формирует стандартный выходной сигнал, например 4-20 mA или цифровое значение по протоколу.

Контроллер получает входные сигналы и выполняет алгоритм. Алгоритм может быть простым: если уровень ниже нижнего порога - включить насос. Может быть сложным: вычислить PID-воздействие, проверить межблокировки, учесть режим установки и передать данные на верхний уровень.

Один из наиболее распространенных типов контроллера - PLC. Он имеет процессор, память и модули ввода-вывода. Дискретный вход сообщает состояние типа «кнопка нажата/не нажата», «клапан открыт/закрыт». Аналоговый вход принимает непрерывное значение, например 4-20 mA от преобразователя давления. Выходы PLC управляют пускателями, реле, клапанами, преобразователями частоты и другими устройствами.

Контроллер работает с информацией, а исполнительное устройство изменяет физический мир. Для регулирования потока это может быть клапан с приводом; для регулирования скорости - двигатель с частотным преобразователем; для нагрева - электрический нагреватель или клапан подачи пара.

Важный принцип: исполнительный механизм должен иметь достаточный диапазон и скорость, чтобы реально изменить процесс. Даже идеально настроенный контроллер не сможет поддерживать температуру, если нагреватель слишком слабый, а клапан слишком мал или заедает.

На верхнем уровне оператор видит состояние системы через HMI или SCADA/DCS: текущие значения, аварии, тренды, режимы, команды и уставки. Операторский интерфейс не заменяет полевой датчик и контроллер; это средство наблюдения и управления человеком.

Типовой контур можно представить так:

процесс -> датчик/преобразователь -> вход контроллера -> алгоритм -> выход контроллера -> исполнительное устройство -> процесс.

Если результат снова измеряется и возвращается контроллеру, образуется замкнутый контур.

Задача: поддерживать давление после насоса на уровне 4 bar. Давление измеряет transmitter. Сигнал поступает в PLC. PLC сравнивает фактическое давление с заданием и изменяет частоту вращения насоса через частотный преобразователь. При падении расхода потребителя давление растет; PLC снижает скорость. При росте потребления давление падает; PLC повышает скорость.

Нарисуйте блок-схему для автоматической вентиляции помещения: датчик температуры, контроллер, частотный привод вентилятора, вентилятор и температура помещения. Укажите, где находится измерительный сигнал и где управляющее воздействие.

• Что является объектом управления?

• Чем transmitter отличается от физической величины, которую он измеряет?

• Почему PLC нуждается в модулях ввода-вывода?

• Какую функцию выполняет исполнительный механизм?

• Зачем нужен HMI, если контроллер уже работает автоматически?