Руководство Для Проектирования Систем Управления

Разработка AUTOMATIONDIRECT

Часть 3

Спецификация устройств

Что должно быть указано

Как отмечалось в первой главе, как правило, требуются специальные знания, для проектирования, разводки, установки и эксплуатации промышленных систем автоматизации управления. Человек без такого опыта или пректики не должны пытаться проектировать системы управления, и следует пользоваться услугами квалифицированного системного интегратора. Система управления может дать сбой и привести к серьезным травмам персонала или повреждению оборудования. Информация в этом руководстве предоставляется “как есть” без любого вида гарантий.

Определение параметров и спецификаций

С учетом сказанного, первый навык, который мы должны развивать в этом направлении будет сбор всего оборудования, параметров и характеристик, необходимых для указания устройств, которые предназначены для управления оборудованием. Мы должны быть педантичным детективом, который бы задавал такие вопросы, как:

- Какое рабочее напряжение?

- Какова мощность?

- Какова длительность процесса?

- Какой рабочий диапазон температур?

- Какова относительная влажность?

- Какие монтажные размеры?

- Каковы минимальные монтажные зазоры?

- Какова цикличность?

- Как система будет использоваться?

- Кто будет обслуживать систему управления?

Типы Систем управления устройствами

Устройства, которые должны быть указать в вашей системе управления, как правило, делятся на три категории: устройства ввода, устройства вывода и устройства обработки данных.

1. Блок Процессора

Все типичные системы управления могут быть определены как имеющие входы, выходы и некоторые формы принятия решений, действующие на выходы, в зависимости от состояния входов. Последнее устройство называется -  элемент «принятия решений». Этот элемент может быть выполнен с помощью ПЛК, где мы имеем входы, выходы и Central Processing Unit – CPU (Центральное процессорное устройство - ЦПУ), который использует программирование релейной логики для принятия решений на основе состояний входов и логических условий в программе.

Аналогичные устройства, которые могут быть рассмотрены в том же порядке, является персональный компьютер (ПК). Компьютеры используются в некоторых автоматизированных систем управления, как элемент принятия решений, вместе с промышленными модулями ввода/вывода. Эти системы на базе ПК ориентированы на коммуникационные порты или Ethernet-соединения для мониторинга и управления I/O. Прикладное программное обеспечение обычно позволяет программисту разрабатывать графический интерфейс, который облегчает оператору взаимодействие с оборудованием или процессом. По ряду научных исследований и опыта, вы сможете определить требования к объёму «принятых решений» вашей системой управления. Анализ стоимости возможных устройств может потребовать, чтобы вы могли сравнить применимость системы управления на ПЛК, базе ПК, или простой жёсткой релейной логике. Но не забывайте, что ПЛК или ПК-система управления позволит упростить внесение изменений и расширений в будущем.

2. Цифровые Устройства Ввода

Цифровые устройства ввода используются для определения наличия, движения или местоположения продукта, реагируют на достигнутое ограничение или значение, чувствуют вмешательство оператора, объявляют тревогу и проч. Типичные устройства ввода могут включать в себя концевые выключатели, фото датчики, кнопки, бесконтактные датчики и т.д. Их входные сигналы, как правило, ON или OFF. Предположим, вход устройства, такого как фото-датчик используется для обнаружения препятствий, и состояние, когда фото датчик видит препятствие датчик, мы предполагаем как истинное состояние. Когда фото датчик не видит препятствие, то он выключен или мы говорим, условие ложно. Эти типы сигналов называются дискретными сигналами, то есть они всегда в одном из двух состояний: вкл. или выкл. Они могут быть встроены в ПЛК модуль ввода, а ПЛК запрограммирован на использование состояния сигналов для выполнения логики управления автоматизированной системой. Или эти же сигналы могут быть использованы в системе «релейной логике», где управление реле строже и проще.

Приведём характеристики наших устройств ввода по важности.

Какое рабочее напряжение; 24, 120 или 240 вольт переменного или постоянного тока?

Если они постоянного тока, то по «+» или по «-»?

Какие расстояния они могут чувствовать?

Какие усилия требует их привод?

Какова в настоящее время их стоимость?

Как известно, что у большинство ПЛК DC входные модули могут быть сконфигурированы как по «+», так и по «-».

Типовые подключения и конструкции входных устройств.

Также имейте в виду, что при выборе модели датчика на обнаружение присутствия продукта или определение окончания отработки механизма, очень важно учитывать среду, в которой датчик будет работать. Следует учитывать не только температуру и влажность, но, в некоторых случаях, внутреннее или наружное использование, высоту, работоспособность датчика при обливании и др. Например, фотоэлектрические датчики чувствительны к атмосфере, в которой они могут эффективно работать. Если там много пыли, грязи и/или тумана в воздухе, то оптика может легко загрязниться или с запотеть, снижая чувствительность и дальность действия.

3. Цифровые выходные устройства

Цифровые выходные устройства используются для контроля действия, такого как движение, старт/стоп оборудования: конвейеры, насосы; включение/выключение клапанов, оповещения/подсказки оператору, индикация состояния и др. Типичные устройства вывода включают реле, пускатели, контрольные лампы и т.д. Эти типы выходных сигналов дискретный: либо вкл, либо выкл. Сигналы могут быть подключены от модуля вывода ПЛК для управления устройствами, такими как пуск и остановка двигателей, запирающий клапан для контроля потока воды, включение световой индикации, чтобы предупредить оператора до состояния, такого как «бункер полный» и проч. Выходные сигналы также могут быть подключены непосредственно к управляющим устройствам на основе силовых реле логики.

Приведём характеристики наших устройств выхода по важности.

Какое рабочее напряжение; 24, 120 или 240 вольт переменного или постоянного тока?

Если они постоянного тока, то по «+» или по «-»?

Величина тока?

Какой рабочий цикл?

Какой диапазон рабочих температур?

Какие посадочные размеры?

Например, если наш процесс использует электромагнитный клапан для контроля подачи воды моющей станции, мы должны знать рабочее напряжение клапана и насколько она в настоящее время загружена. Мы также должны знать не только в открытом ли состоянии клапан, но и пусковой ток, чтобы правильно задать модуль вывода ПЛК или реле управления. Несмотря на то, что клапан может быть номинально рассчитан на 250 мА постоянного тока, может иметь место скачёк до 800 мA припуске.

Предположим, что модуль вывода ПЛК имеет восемь выходных точек и каждая точка рассчитана на 1 ампер непрерывной работы и по температурным соображениям, весь выходной модуль имеет суммарно 6 ампер, то он, как правило, имеет общий предохранитель на номинальный ток в 6 ампер. Если бы мы имели электромагнитные клапаны, подключенные во все восемь выходов и наша программа была такой, что возбуждает их одновременно, суммарный пусковой ток будет 8 x 800 мА или всего 6,4 ампер, это, скорее всего, разорвало бы предохранитель.

Решение должно быть таким, чтоб выбрать модуль вывода с более высоким номиналом тока или использовать «лестничную» программу для последовательного включения клапанов, предотвращая пуск их всех в то же время. Другой вариант - раздельная головка для соединения нескольких модулей вывода, используя оставшиеся пункты для питания небольших нагрузок, таких как контрольные лампы. Определенные типы вывода могут включать кривые снижения номинальных значений тока в зависимости от окружающей температуры и количества выходов по напряжениям. Имейте в виду, что выход постоянного тока модули могут быть по «+», так и по «-».

Типовые подключения и конструкции выходных устройств.

4. Другие Типы Устройств, Которые Необходимо Указать

Аналоговые Устройства - еще одна область входов и выходов, тут используются аналоговые сигналы в системе управления. Аналоговые сигналы изменяемы и представляют собой диапазон значений. Вот быстрый пример, мы хотим контролировать уровень жидкости в баке, что составляет 100 футов. Мы берём датчик, который производит сигнал в диапазоне напряжения от 0 до 10В пост. тока, то есть, 0 футов равна 0 VDC и 100 футов - равным 10В. Аналоговых сигналов, как правило, линейный, так сигнал в 5 VDC сообщит нам, что бак заполнен на уровне 50 футов. Аналоговый сигнал может быть подключен к модулю аналогового ввода ПЛК, и в релейно-контактную программу, тогда мы можем сравнивать фактический уровень сигнала и полученный дискретный сигнал, что приведет к команде с точки выхода на запуск насоса для поднятия или понижения уровня в баке.

Индуктивные Устройства - при выборе устройства для управления приводом, таким как промышленный двигатель для приведения в движение транспортера, или клапана управления гидравлическим цилиндром, вам нужно будет определить, параметры контролирующего оборудования:

Какое рабочее напряжение?

Какой максимальный ток?

Какой тип среды использования?

Промышленный асинхронный двигатель может иметь параметры, такие как 230/460 в, 3-фазы, 1725 об/мин, FLA (с полной нагрузкой ампер) 10,5А на 460VAC и др.

Информация о характеристиках может быть получена из каталога изготовителя или непосредственно по паспортной табличке двигателя. В случае двигателя, Вам понадобится знать различные параметры, чтобы выбрать пускатель электродвигателя или, возможно, частотно-регулируемый привод для управления пуск/стопом или скоростью вращения.

Дополнительные Соображения

Есть и другие моменты, которые необходимо учитывать при подборе устройств, используемых в автоматизированной системе управления: статическое электричество, скважность, подавление импульсных помех, питание, окружающую среду, согласующие учреждения, тип корпуса, а также отопление/охлаждение корпуса и освещение.

Статическое электричество - большая часть оборудования и устройств будет работать до 5% относительной влажности. Однако, проблемы статического электричества возникают гораздо чаще при уровне влажности ниже 30%. Убедитесь, что вы приняли адекватные меры предосторожности, чтобы безопасно касаться оборудования. Рассмотрите возможность использования заземлений, антистатические напольные покрытия, и т.д. если вы будете использовать оборудование в условиях низкой влажности.

Скважность импульсов - при использовании электромагнитного клапана, вы должны знать его рабочее напряжение, номинальный и пусковой ток, что поможет выбрать тип выходного устройства, необходимого для управления его работой. Важно также иметь представление о скважности электромагнитного клапана. Мы не хотели бы применять электромагнитный клапан в течение 50% рабочего цикла, который на включение тратит 10 секунд, а время работы его составляет всего две секунды. Короткое время выключения не позволяет соленоиду достаточно охладиться.

Подавление бросков напряжения - электромагнитные клапаны, пускатели и прочие используемые катушки индуктивности для их эксплуатации могут давать высокие пики напряжения, что может привести к повреждению устройства вывода и дальнейшего электронного оборудования по цепи. Рекомендуется всегда использовать определённые приборы подавления импульсных помех для устранения скачков напряжения.

Источники Питания постоянного тока - при использовании постоянного напряжения из блока питания в системе управления, следует рассмотреть возможность использования питания мощностью как минимум в два раза больше рассчитанной нагрузки. Это призвано удовлетворить одно из требований соответствия системы управления стандарту UL 508 и позволяет источнику питания работать при более низкой температуре, тем самым увеличивая его срок службы.

Требования к окружающей среде - в таблице ниже приведен пример NEMA-а «Общие Характеристики Среды», которые обычно применяются для автоматизации оборудования. В МЭК также есть перечень общих экологических Спецификаций обозначения для шкафов и оборудования.

Согласующие учреждения - некоторые приложения требуют согласования в Учреждениях для конкретных компонентов. Некоторые из этих необходимых Учреждений:

UL (Underwriters' Laboratories, Inc.) – Лаборатории подтекстов (ЛпТ);

CUL (Canadian Underwriters' Laboratories, Inc.) - Лаборатории подтекстов Канады ЛпТК);

CE (European Economic Union) - Европейский Экономический Союз (ЕЭС).

Требования для любого из этих учреждений должны быть частью вашей разработки и определят выбор большинства управляющих устройств.

Шкафы - выбор соответствующего корпуса важен для обеспечения безопасной и правильной работы вашего оборудования. Минимальные условия для шкафов должны включать:

- Соответствие электрооборудования стандартам (ссылка NEC);

- Защиту от элементов в промышленных условиях (ссылка NEMA, в частности, раздел ICS_6);

- Общее заземление (ссылка NEC);

- Доступ к оборудованию (ссылка OSHA);

- Безопасности или ограничения доступа (ссылка OSHA);

- Достаточное пространство для монтажа и обслуживания оборудования.

- Необходимость учитывать среду, в которой корпус будет расположен. На открытом воздухе? В помещении? Требует ли промывки?

Освещение в корпусе - это всегда хорошая идея, чтобы включить освещение пространства в электрошкафу или в помещении, что поможет во время обслуживающих работ в системе управления.