На всём протяжении истории человечество пыталось облегчить непростой физический труд. Первыми шагами было изобретение и внедрение в повседневную жизнь первобытных и простейших орудий: топоров, молотов и т. п. Дальше стала развиваться механизация, которая облегчила жизнь, так как дала выигрыш в силе (разные грузоподъёмные и транспортировочные устройства и пр.).
Затем люди «приручили» энергию движущегося ветра и воды и привели в движение механизмы. Столетия назад были изобретены паровые двигатели, а потом — внутреннего сгорания (ДВС), позволившие отказаться от тягловых животных. Сегодня же основной источник энергии, за счёт которого работают разные устройства — электроэнергия.
Статья ставит перед собой цель познакомить читателя с общими принципами и средствами автоматизации. Будут рассмотрены основные функциональные элементы, применяемые, чтобы автоматизировать разные процессы, дано их описание и назначение. Она не ставит задачи полнейшего и разностороннего освещения вопроса автоматизации и не предполагает затрагивания теории автоматизированного управления, а также устройства, работы и взаимодействия сложных систем: роботов, станков с программным управлением («Использование 3D-печати в радиоинженерии и робототехнике: выбор принтера. Часть 1», «Часть 2») и подобных. В ней будет сделан упор на базовые технические средства, применяемые для проектирования и построения автоматизированных систем: от простейших до самых сложных.
Время чтения: 21 минута
Средства разработки и отладки? Это очень просто!
С открытием и внедрением электрической энергии в разные области человеческой занятости стала развиваться новая отрасль — автоматизация. Она дала теоретические методы и практические решения, упрощающие сложные, рутинные или вовсе не доступные человеку операции. Она ярко проявляет себя в промышленности: производство — «непаханое поле» задач, которые решаются только с помощью автоматизации, а конкретнее, технических средств, ей предлагаемых.
Сейчас в распоряжении инженеров по автоматизации много средств для разработки и отладки автоматизированных систем: контроллеров, датчиков, исполнительных приводов и механизмов, преобразователей, индикаторов и средств взаимодействия с человеком.
Панель на изображении отвечает за часть работы химического производства. Оператор для управления сложными технологическими процессами использует привычные пользователю компьютера кнопки, поля ввода данных, диалоговые окна и т. д. Интерфейс в виде мнемосхемы помогает улучшить восприятие и понимание контролируемых процессов.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
Базовое средство разработки, а иначе, функциональная база — ПЛК, который справедливо называют вычислительным «сердцем» любой системы.
ПЛК состоит из следующих узлов:
- Внутренней памяти, хранящей набор инструкций (микропрограмму), определяющего алгоритм поведения.
- Часов реального времени.
- Вычислительного устройства (микроконтроллера, микропроцессора, ПЛИС, жёсткой логики).
- Портов ввода/вывода для получения сигналов с внешних датчиков и их передачи исполнительными устройствами.
- Интерфейсов связи для конфигурирования ПЛК и иного взаимодействия. Примерами таких интерфейсов служат RS-232/485, Ethernet, CAN, Modbus, Profibus и подобные.
К базовым функциям ПЛК относятся: приём сигналов с разных датчиков (температуры, давления, положения и прочих) и выдача управляющих сигналов к индикаторным лампам, реле, драйверам двигателей и другим по заранее запрограммированной логике. Основополагающая особенность ПЛК — работа в режиме реального времени, то есть с минимально возможной задержкой от момента приёма входного взаимодействия до выдачи взаимодействия управляющего.
ПЛК проектируются и реализуются с соблюдением требований высокой отказоустойчивости. Поэтому применяются в автоматизации даже быстро меняющихся и ответственных техпроцессов: управлении приводами ЧПУ-станков и промышленных роботов, автоматизации процессов химических, металлургических и других производств, атомных, гидро- и тепловых электростанций и т. д.
Вот чем ПЛК выделяются среди близкородственных технических средств:
- Хотя они похожи на микроконтроллеры и платформы на их основе, ПЛК — функционально законченные приборы, в которых есть всё для взаимодействия с внешними устройствами.
- ПЛК, в отличие от персональных компьютеров, предназначены для взаимодействия не с пользователем (оператором), а с датчиками и исполнительными устройствами и проектируются непосредственно для автономной работы.
- Один и тот же ПЛК применим для автоматизации различных по характеру процессов, в отличие от встраиваемых систем, которые жёстко проектируются для конкретного применения.
Прибор выше имеет широкие коммуникационные возможности. Он создан для построения высоконадёжных автоматизированного систем управления (АСУ), железнодорожным движением, построения систем энергоснабжения и других ответственных сфер.
Датчики
Это глаза и уши АСУ. Они преобразуют (иначе, измеряют) какую-либо физическую величину в электрический сигнал, эквивалентный её уровню. Функционально они состоят из:
- Чувствительного элемента (сенсора), воспринимающего физическую величину. В роли сенсора выступает термопара или терморезистор (смотри статью «Тепловая диагностика радиоэлектронного оборудования»), датчик на основе эффекта Холла, лямбда-зонд и много других.
- Сигнального процессора, преобразующего, как правило, слабый и зашумлённый (смотри статью «Электромагнитные помехи. Выявляем и устраняем») сигнал от чувствительного элемента в стабильный, пригодный для передачи и работы с ним.
- Аналогового или цифрового интерфейса передачи сигнала, к примеру, классической токовой петли 4–20 мА.
Главные разновидности датчиков, применяемых совместно с ПЛК для автоматизации:
- Датчики обнаружения. Определяют положение того или иного исполнительного механизма. Датчики обнаружения строятся на разных принципах:
- На эффекте Холла. Реагирует на приближение части исполнительного механизма, обладающей магнитными свойствами (выполненной из железа, стали или из магнитного сплава). Высоконадёжный, но его способность к обнаружению ограничена сантиметрами.
- Ёмкостной. Чувствительный элемент в нём — конденсатор (смотри статью «Как выбрать конденсатор?»), изменяющий свою ёмкость при изменении характера диэлектрической среды между обкладками. Реагирует на многие материалы, включая жидкости. Высоконадёжный, но обнаруживает на расстоянии не более единиц миллиметров.
- Оптический. Состоит из оптосенсора (фоторезистора, фотодиода, фототранзистора и т. д.) и облучателя, которым служит источник света, выполненный на лампах накаливания, светодиодах или полупроводниковом лазере. Так как сенсор и облучатель бывают разнесены довольно далеко, то датчики имеют обнаружение на значительном расстоянии от исполнительного механизма.
- Инфракрасный. Принципиально схож с оптическим, за исключением того, что излучатель испускает волны ИК-диапазона. Более дорогой, чем оптический, но его характеристики лучше.
- Датчики уровня. Предназначены для определения уровня жидкости в различных сосудах и ёмкостях. Это герметичная штанга, находящаяся в сосуде или ёмкости, с расположенным внутри ёмкостным сенсором. Поплавок или сама жидкость изменяют ёмкость сенсора, регистрируемую сигнальным процессором. Имеют длину от единиц сантиметров до метров и работать с разными жидкими средами: от нейтральных до агрессивных.
- Датчики газа. Состав газовой среды является архиважным параметром многих производственных циклов. Газоанализаторы нужны для измерения концентрации молекул газа: кислорода, угарного и углекислоты, метана, аммиака, паров нефтепродуктов и т. д. Так как работают в сложной газообразной среде, выполняются в корпусах с высокой степенью герметизации и взрывозащищённости.
- Датчик давления и датчик протока жидкости и газа. Используется для определения их абсолютного давления в трубопроводе и количественного или объёмного протока соответственно. Обычно оборудован тензометрическим сенсором, реагирующим на изгиб мембраны, пропорциональный измеряемому давлению. Датчик протока применяет калориметрический способ измерения, инфракрасный или принцип подсчёта количества оборотов крыльчатки, вращаемой проходящей через калиброванное отверстие транспортируемой средой.
- Датчик температуры. Как правило, это обычная термопара.
- Датчик линейного и углового перемещения. Предназначены для высокоточного определения положения подвижных исполнительных механизмов, к примеру, осей станков с ЧПУ.
Модули ввода/вывода
Они нужны для расширения коммуникационных возможностей ПЛК. Они расширяют число портов и/или добавляют какие-то специфичные, которых может не быть на ПЛК. Например, аналоговый выход стандарта «0–10В». Кроме прочего, они служат буферной защитой и «принимают удар на себя», защищая ПЛК от статического электричества и перенапряжения, например, при попадании молнии в линию связи.
Модули делятся на следующие категории:
- Измерительные модули. Для измерения входного напряжения с силой тока. Используются для контроля параметров систем электропитания.
- Модули аналогового ввода-вывода. Для ввода-вывода аналоговых сигналов стандартных интерфейсов «токовая петля 0–20мА», «токовая петля 4–20мА» и «0–10В».
- Модули дискретного ввода-вывода. Для ввода-вывода дискретных сигналов типа «сухой контакт».
- Комбинированные модули. Объединяют свойства трёх предыдущих устройств в разной комбинации.
Связь между модулями организуется по различным интерфейсам. Среди распространённых — RS-232/485, Modbus и Ethernet.
Панели оператора
Даже самая автоматизированная система требует участия человека в развёртывании и эксплуатации. Оператору нужно контролировать выполнение технологического процесса и вносить необходимые коррективы. То есть требуется интерфейс взаимодействия оператора-человека и АСУ-машины.
Для этого и создан HMI-интерфейс, главное средство которого — панели оператора для визуального контроля и внесения корректировок.
В статье «Основы измерений в электронике. Часть 1», «Часть 2» упоминались разновидности человеко-машинных интерфейсов и их влияние на погрешность измерения: и действительно, выдача результатов измерения с высокой скоростью отклика, в нужных единицах и в наглядной форме позволяет сократить степень погрешности из-за неверной интерпретации выходных данных оператором.
То же применительно и к человеко-машинному интерфейсу для взаимодействия оператор-система. Продуманный, наглядный интерфейс минимизирует ошибочную интерпретацию информации и сведёт к минимуму внесение некорректных данных. Автор статьи участвовал в руководстве по исправлению серьёзных ошибок в человеко-машинных интерфейсах АСУ и ЧПУ-оборудования, из-за которых происходили случаи аварий оборудования, повреждения обрабатываемых заготовок и затратного ремонта и простоя технологического процесса.
По характеру вводимых и отображаемых данных панели оператора делятся на группы:
- Панели ввода. Являются блоком кнопок и простейшей светодиодной индикации и предназначены только для ввода.
- Панели для вывода чисел. Базируются, как правило, на семисегментных светодиодных индикаторах. Несложные и недорогие, отображают давление, температуру, напряжение и т. п., а также символьную информацию, которая выводится на семисегментном индикаторе.
- Панели для вывода текстовой и числовой информации. Элементную основу составляют жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы, которые 1, 2, 4-строчные или более. Отображают числовую, символьную и текстовую информацию на любом языке, простейшую псевдографическую информацию, по типу полос прогресса, а также предоставляют базовые возможности работы с меню. Обычно комплектуются набором кнопок для взаимодействия с оператором.
- Панели для вывода графической информации. Совершенные, но и дорогие. Своей конструкцией это моноблок, состоящий из компьютера и монитора. Программная часть ЧМИ хранится в памяти компьютера, а взаимодействует с АСУ через какой-либо интерфейс связи. Дисплей чаще всего сенсорный, без физических кнопок. Сенсорные панели применяют для контроля и корректирования технологических процессов, требующих вывода мнемосхем, графиков, диаграмм или большого объёма данных одновременно.
- Промышленные компьютеры. Предназначены для расширения человеко-машинного интерфейса с помощью дополнительного ПО. Выполняются в стационарном форм-факторе и в виде ноутбука и часто могут переноситься и подключаться к системе в нескольких точках. Применимы также для обслуживания и наладки узлов.
Частые задачи, которые они решают:
- Удобное для человека графическое представление характера технологического процесса и/или его параметров.
- Оперативная реакция на проблемы, например, аварийные ситуации.
- Запуск, останов или внесение коррекции параметров.
- Передача и приём оперативных данных другим узлам и от них.
- Возможность загрузки, выбора и работы по заранее запрограммированным шаблонам, картам или программам (например, в станках с ЧПУ).
- Аутентификация пользователей и разрешение/запрет работы, ограничение прав доступа.
- Визуализация графической информации, такой как мнемосхемы, графики, диаграммы, отчёты и т. д.
- Телеметрия (регистрация) параметров.
- Дополнительная автоматизация тех или иных характеристик технологического процесса, к примеру, запуск/останов по расписанию.
- Печать данных с помощью принтера или перенос на сменный носитель.
Программируемые реле (ПР)
Это упрощённый тип ПЛК для локальной автоматизации простой релейной логикой. Выделю моменты отличия программируемых реле от логических контроллеров:
- ПР применяют для автоматизации локальных объектов, устройств или агрегатов. Пример таких объектов: освещение, насосы, нагревательные элементы печей, лифты и аналогичное оборудование. Они ставятся индивидуально, работают автономно и не связаны с другими средствами автоматизации. ПЛК, напротив, нужны для автоматизации на уровне участка, цеха или всего производства.
- Программирование ПР проще, быстрее и доступно даже малоопытным техникам КИПиА. Применяются графические языки программирования релейной логики или (при наличии) дисплей и кнопки самого ПР. Программирование ПЛК же — нетривиальная задача, которая под силу только опытным инженерам по автоматизации производства.
- Коммуникационные возможности ПР, как правило, более скудные, чем у ПЛК. Но некоторые модели поддерживают подключение внешних устройств (счётчиков, датчиков и подобного). Наличие портов RS-232/485 и Ethernet является стандартом «по-умолчанию» для всех ПЛК. Портов у ПР значительно меньше, чем у ПЛК; а аналоговых часто нет
- ПР обычно не имеют систем контроля ошибок, телеметрии (регистрации) данных и аварийных ситуаций. ПЛК, напротив, проектируются для регистрации, хранения и передачи большого объёма оперативной информации.
- Аппаратные вычислительные возможности ПР сильно ограничены и нередки ситуации, когда при проектировании сложной логики может не хватить внутренней памяти ПР для хранения программы. У ПЛК, как правило, такие проблемы не наблюдаются.
- Человеко-машинный интерфейс ПР обычно проще, чем у ПЛК. Очень редко они оснащаются цветными жидкокристаллическими дисплеями; чаще всего в роли человеко-машинного интерфейса выступает монохромных знакосинтезирующий индикатор или вовсе панель кнопок и светодиодов. Подключение графических панелей оператора у ПР, как правило, отсутствует. А у ПЛК оно есть.
- Стоимость ПР существенно ниже цены ПЛК.
Преобразователи частоты
Не секрет, что помимо освещения и нагрева, основным применением электроэнергии является превращение её в механическую энергию вращения с помощью электродвигателей. В промышленности электрические двигатели применяют везде: вращение приводов станков и конвейеров, насосов, компрессоров, вентиляторов и прочего технологического оборудования.
Распространённый тип электродвигателя — асинхронный электромотор переменного тока (AC) с короткозамкнутым ротором. Эта разновидность имеет немало достоинств. Например, отменные характеристики, простоту конструкции и невысокие затраты на производство. Но имеет и существенный недостаток, а именно сложность регулирования частоты вращения. Единственный способ изменить её без потери мощности и крутящего момента — изменение частоты AC, запитывающего двигатель.
В былые времена изменения частоты тока было нетривиальной задачей, и регулировка числа оборотов асинхронных двигателей выполнялась с помощью механических редукторов: коробок передач, сменных шестерён, шкивов и т. д.
Сегодня производят много электронных инверторных преобразователей частоты (в просторечии «частотников»), созданных именно для преобразования частоты тока, поступающего для питания электрических двигателей, как рассмотренных асинхронных, так и более сложных синхронных AC-двигателей.
Принцип действия преобразователей частоты похож на работу любого преобразователя напряжения (смотри статью «Источники питания. Виды и сферы применения»): AC из питающей сети выпрямляется, фильтруется и поступает на питание мощного электронного генератора, дающего на выходе одно- или трёхфазный переменный ток. Частота тока на выходе генератора может быть легко изменена в широких пределах: от 0 до нескольких сотен герц, позволяя регулировать частоту вращения в широких пределах.
Это помогло отказаться от механических редукторов, а также использовать электродвигатели с контролируемой частотой вращения в автоматизации. Кроме того, частотные преобразователи способны мониторить работу мотора: поддерживать частоту вращения при изменении нагрузки, контролировать протекающий через обмотки ток, производить автоматическое отключение при снижении или повышении питающего напряжения и т. д.
Применение частотных преобразователей даёт множество преимуществ, среди которых:
- Плавная регулировка скорости двигателя позволяет избавиться от механических регуляторов: редукторов, вариаторов и подобных. Также поддерживает плавное безопасное реверсирование вращения.
- Плавный пуск путём постепенного наращивания частоты выходного тока позволяет запускать их без запредельных пусковых токов, предохраняющих обмотки двигателя и коммутационного оборудования от чрезмерного износа.
- Регулирование и поддержание заданной частоты при изменении механической нагрузки позволяет внедрять электродвигатели в АСУ.
- Двигатели постоянного тока, применявшиеся в системах с регулированием частоты, могут быть с лёгкостью заменены на связку «асинхронный двигатель + частотный преобразователь». Сегодня большинство мощных электроприводов оснащено AC-двигателями переменного тока, управляемыми частотными преобразователями.
- Внедрение в общую АСУ и подключение к ПЛК.
- Относительно высокий КПД, больше, чем у любых других способов регулировки оборотов переменноточных электродвигателей.
- Экономию расхода электроэнергии.
- Мониторинг параметров дополнительно гарантирует исправность и стабильную работу дорогого оборудования.
Исходя из преимуществ выделим следующие сферы применения:
- Насосы высокоответственного назначения, применяемые в системах подачи воды и теплоносителя котельных, насосных станций и т. д.
- Двигатели компрессоров и вентиляторов тепловых и холодильных машин и систем кондиционирования.
- Приводы конвейеров, транспортёров и различного грузоподъёмного оборудования.
- Лифты.
- Приводы технологического оборудования (миксеры, дробилки, трамбовщики и т. д.).
- Приводы прокатных станов.
- Приводы станков ЧПУ.
- Приводы промышленных роботов.
Устройства плавного пуска (УПП)
В момент включения двигателя происходит резкое токопотребление — «пусковой ток», пропорциональный номинальной мощности электромотора и механической нагрузки на валу. Иногда он достигает величины нескольких тысяч ампер, что нехорошо отражается на технологическом оборудовании:
- Повреждает обмотки.
- В момент пуска двигатель испытывает повышенное действие электродинамических сил, крутящего момента выше номинального в несколько раз, приводящих к рывкам в движении и высокой вероятности механической поломки.
- Вызывает срабатывание систем защиты.
- Коммутация тока высокого уровня сопровождается трудностями и большой вероятностью отказа коммутационного оборудования.
Подключение мощного электромотора к сети сравни короткому замыканию. Скачок энергопотребления и серьёзная просадка напряжения способны вызвать отказ оборудования, особенно имеющего высокую чувствительность к качеству электропитания: компьютерная техника, ЧПУ-станки и т. д.
Для устранения всех «неприятностей» служат УПП, снижающие пусковой ток до приемлемого уровня.
В бытность прошлого века в качестве УПП применялись автотрансформаторы или пускорегулирующие реостаты (смотри статью «Как проверить резистор мультиметром?»), имеющие как традиционную конструкцию, так и экзотическую. Автор статьи имел возможность воочию видеть пусковой жидкостный реостат для запуска электродвигателя карьерного экскаватора, имеющего стартовый ток порядка 4000 ампер: реостат представлял бак ёмкостью около 100 литров, заполненный раствором поваренной соли и двух электродов; в момент пуска двигателя электроды разводят, и пусковой ток ограничивается сопротивлением электролита, затем электроды сводят друг с другом и замыкают.
Сегодня «всякие баки» больше не применяют, так как в распоряжении инженеров-энергетиков и инженеров АСУ имеется много электронных УПП «на все случаи жизни».
Конструктивно они состоят из группы силовых тиристоров или симисторов, циклически включающих и выключаю нагрузки с увеличением частоты цикла вплоть до полного открытия. Управляет полупроводниковыми ключами микроконтроллерная система управления (смотри статью «ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств»).
Устройства делятся на:
- УПП с одной управляемой фазой (УФ).
- УПП с двумя управляемыми фазами.
- УПП с тремя управляемыми фазами.
Количество УФ определяет максимальный пусковой ток, который может «переварить» устройство. УПП с одной фазой отлично подходят для двигателей, стартующих с невысокой механической нагрузкой (моторы вентиляторов, насосов и т. д.). Модели с двумя и тремя УФ применяются для ограничения тока мощных электродвигателей, высоконагруженных на старте (электромоторы грузоподъёмного оборудования, прокатных станов, компрессоров и т. д.).
Блоки питания
От качества питания зависит качество жизни живого организма. Нечто похожее наблюдается и в электронике: качество электропитания важно и отвечает за работоспособность и надёжность питаемого устройства. Таким образом, блок питания — высокоответственный узел любой электронной аппаратуры.
К блокам питания (БП) для эксплуатации в промышленных условиях автоматизированных систем предъявляются ещё более высокие требования, чем, скажем, к блокам питания бытовой техники: они должны обладать высокой стабильностью выходных параметров, низким уровнем пульсаций, высокой надёжностью и отказоустойчивостью, а также наличием систем внутреннего контроля для сигнализации неисправности, надёжное отключение выходного напряжения при сбоях и т. д. Кроме того, промышленные БП и блоки, применяемые на подвижном транспорте или узлах автоматики железнодорожного сообщения, должны уметь питаться от нестандартных величин напряжения и рода тока, к примеру, от двух фаз трёхфазной сети без нейтрали.
По схемотехнической реализации промышленные ИП делятся на следующие разновидности:
- Линейные блоки питания отличаются стабильностью выходного напряжения, минимумом пульсаций и ВЧ-помех. Схемотехнически состоят из понижающего трансформатора, выпрямителя, фильтра и схемы стабилизации выходного напряжения. К преимуществам ещё отнесём малошумность и исключительную надёжность. Перечисленные характеристики как никакие подходят для питания высокочувствительных датчиков, АЦП, ЦАП, прецизионных измерительных приборов и других узлов, требующих крайнюю степень стабильности питающего напряжения. К недостаткам — высокие массо-габаритные показатели и стоимость, а также работу только от переменного тока.
- Импульсные источники питания (ИИП) — компактные и эффективные недорогие устройства. Они поддерживают регулировку выходного напряжения в широких пределах. Диапазон питающих напряжений тоже достаточно широк (порядка 90÷400 вольт). ИИП по конструкции созданы для взаимодействия как с переменным током, так и с постоянным. Принцип действия основан на выпрямлении входного напряжения и подачи его на высокочастотный генератор, нагрузкой которого служит первичная обмотка импульсного трансформатора или накопительного дросселя; выходное напряжение снимается со вторичной обмотки, выпрямляется, фильтруется и подаётся в нагрузку. Управляют работой блока специализированные драйверы или микроконтроллеры. Импульсная схемотехника и работа на высокой частоте определяет невысокую материалоёмкость, небольшие габариты и массу. Также к плюсам относится эффективность и качество выходного напряжения, которое подходит для электропитания большинства промышленных нагрузок: ПЛК, ПР, датчиков и т. д.
- Программируемые блоки питания, как усовершенствованный вид импульсных БП, имеют особенности. Например, поддерживают информационную связь с устройством, которое от них получает электропитание. Постоянная связь позволяет настраивать параметры выходного напряжения и силы тока, исходя из текущих потребностей. Чаще встречаются в системах автоматизированной зарядки аккумуляторных батарей промышленных источников бесперебойного питания, электротранспорта и т. д.
Помимо высоких требований к качеству электрических характеристик, такие средства разработки как промышленные БП конструируются и изготавливаются по требованиям тяжёлых условий работы в грязных, запылённых и влажных условиях производственной среды. И только эти устройства дают максимум качества и отказоустойчивости любой АСУ, хоть в банальном лифте, хоть в сложнейшем ядерном реакторе.
Автоматизированные системы повсюду. Лучше всего автоматизируются разные производственные технологические процессы. В условиях производств, объектов энергетики и транспортного сообщения автоматика стала базовым принципом построения. От её безотказной работы зависит многое: от качества продукции до жизнедеятельности целых городов и даже стран.
Основа автоматики — разные средства, являющиеся её «глазами и ушами», «сердцем» и «руками и ногами»: современная электронная промышленность выпускает преогромнейшую номенклатуру оборудования для развёртывания автоматизированных систем: это и ПЛК, датчики, интерфейсы взаимодействия с человеком, блоки питания и т. д.
