Как составить схему системы автоматизации

Как построить функциональную схему

Методика составления функционально-технологической схемы автоматизации.

Функциональная схема является основным техническим документом, определяющим структуру и характер автоматизации технологического процесса проектируемого объекта и оснащение его приборами и средствами автоматизации.

На функциональной схеме условно изображают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, приборы и средства автоматизации, а также связи между ними.

Пример оформления чертежа функциональной схемы автоматизации приведен на рис. 2.

При оформлении и описании функциональных схем терминология должна соответствовать ГОСТ 17194—71, а условные обозначения приборов и средств автоматизации — ГОСТ 3925—59.

При наличии однотипных технологических объектов (цехов, отделений, установок, агрегатов, аппаратов), не связанных между собой и имеющих одинаковое оснащение приборами и средствами автоматизации, функциональную схему выполняют для одного из них, при этом на чертеже дают пояснение, например «Схема составлена для агрегата 1; для агрегатов 2—5 схемы аналогичны». К этому добавляют пояснения относительно особенностей в позиционных обозначениях (маркировке) и в спецификации. Например, «В спецификации учтена аппаратура для пяти агрегатов. Маркировка приборов и средств автоматизации для агрегатов 2—5 аналогична приведенной для агрегата 1 с изменением цифрового индекса соответственно номеру агрегата».

Для обозначения на схемах запроектированных систем телеуправления (ТУ), телесигнализации (ТС) и телеизмерения (ТИ) в прямоугольниках щитов и (пультов вычерчивают горизонтальные линии с надписями с левой стороны ТУ, ТС, ТИ. Связь этих систем с приборами и средствами автоматизации показывают линиями связи. Технологическое оборудование и коммуникации автоматизированного объекта изображают на функциональных схемах упрощенно, но так, чтобы показать взаимное расположение и взаимодействие их с приборами и средствами автоматизации. Допускается изображение частей объекта в виде прямоугольников с указанием их наименования. На технологических коммуникациях (они изображаются по ГОСТ 3464—63) показывают только те регулирующие и запорные органы, которые участвуют в системе управления процессом. На линиях трубопроводов указываются диаметры условных проходов и стрелками обозначаются направления потоков вещества в соответствии с технологической схемой.

Приборы и средства автоматизации, встраиваемые в технологическое оборудование и коммуникации или механически связанные с ним, изображают на функциональных схемах в непосредственной близости к технологическому оборудованию. К ним относятся: отборные устройства давления, уровня, состава вещества, приемные устройства, воспринимающие воздействия измеряемых и регулируемых величин (сужающие устройства, ротаметры, термометры сопротивления, термобаллоны манометрических термометров, термопары и т. п.), исполнительные устройства, регулирующие и запорные органы.

Приборы и средства автоматизации, не имеющие непосредственной конструктивно-механической связи с технологическим оборудованием, показывают в прямоугольниках, расположенных в нижней части поля чертежа. К ним относятся: первичные преобразователи (датчики), работающие в комплекте с отборными устройствами, преобразователями, усилителями; приборы и аппаратура управления и т. п. Они располагаются на схеме в один или несколько горизонтальных рядов и условно ограничиваются прямоугольниками.

В прямоугольнике слева указываются их наименования: «Приборы местные», «Щит управления» и т. д. Вспомогательную аппаратуру и устройства (источники питания, фильтры и редукторы пневмопитания, предохранители, магнитные пускатели и т. п.), не влияющие на функциональную структуру схемы автоматизации, на схемах не показывают.

Исключение составляют магнитные пускатели, используемые в контурах регулирования для управления исполнительными устройствами. Приборы на щитах показывают на схеме условно в нижнем прямоугольнике, над ним располагаются приборы местные.

Рис.2. Функциональная схема автоматизации (обозначения на рис.3).

Линии связи на функциональной схеме изображают одной линией зависимо от количества проводов и труб, осуществляющих эту связь, и наносят с наименьшим количеством изломов и пересечений. Линии связи должны четко отображать функциональные связи между элементами схемы от начала прохождения сигнала до конца. Допускается объединять в одну общую линию блокировочные линии связи. В целях удобства чтения функциональных схем автоматизации с большим количеством технологического оборудования и средств автоматизации под прямоугольниками щитов и пультов допускается вычерчивать прямоугольник с надписями, поясняющими назначение изображенных средств автоматизации.

На схемах всем приборам и средствам автоматизации присваиваются позиционные обозначения.

Обозначения однозначно определяют тип и место установки устройства. Каждому комплекту средств автоматизации присваивается порядковый номер (например, комплект 1 на рис. 2). Комплектом считаются функционально-связанные устройства, выполняющие определенную задачу. Каждому устройству комплекта присваивается буквенно-цифровое обозначение, состоящее из порядкового номера комплекта и буквенного индекса.

На чертежах функциональных схем в правой стороне над штампом чертежа помещают спецификацию (один из вариантов выполнения схем), которая является исходным материалом для составления заявочных ведомостей и заказных спецификаций. Если в проекте предусмотрено использование нового технологического оборудования, то его спецификация располагается первой, затем помещается спецификация на средства автоматизации, причем по группам «приборы местные», «приборы на щитах».

Спецификация средств автоматизации.

В спецификацию включаются все устройства, которым на схемах присвоены позиционные обозначения.

Обозначения основных величин и условные изображения приборов и средств автоматизации в схемах.

ГОСТ 3925—59 установлены обозначения измеряемых и регулируемых величин и условные изображения приборов и устройств автоматизации, применяемые в функциональных схемах. К ним относятся обозначения основных контролируемых и регулируемых величин, наименований основных электроизмерительных приборов, а также изображения приборов измерительных и регулирующих, видов передач дистанционного воздействия, первичных преобразователей, воспринимающих воздействие измеряемых или регулируемых величин, исполнительных механизмов и регулирующих органов, дополнительных устройств и рекомендуемые размеры изображений приборов и средств.

В ГОСТе даны примеры применения условных изображений приборов, регуляторов прямого действия, регулирующих приборов, состоящих из нескольких звеньев, и обозначения контролируемых и регулируемых величин, а также пример изображения функциональной схемы автоматизации.

Что такое функциональная схема

Каждое изделие, относящееся к категории электрооборудования, изготовлено в соответствии с определенной схемой. Обычно в ней указываются элементы и детали, из которых состоит то или иное устройство. Во всех цепях происходят какие-то процессы, обеспечивающие работоспособность изделия. Для того чтобы лучше понять взаимодействие отдельных участков, составляется электрическая функциональная схема, позволяющая уяснить, как работает электрооборудование в различных эксплуатационных режимах.

Содержание функциональной схемы

На функциональных схемах в первую очередь отображаются рабочие группы, отдельные элементы и связи, существующие между ними. Графическое изображение наглядно представляет, в какой последовательности выполняются функциональные процессы в данном устройстве.

Все элементы на схеме располагаются наиболее удобным способом, отличающимся от их фактического размещения в приборе. Каждая функциональная часть или деталь соответствует определенным условным обозначениям. Точно так же отображаются связи между ними, позволяющие проследить взаимодействие и влияние на общую работоспособность.

Все графические обозначения установлены соответствующими нормативными документами, где определяются стандарты для отдельных элементов и целых групп. Правила выполнения используются такие же, как и в принципиальных схемах. Изображения отдельных функциональных частей могут выполняться в виде прямоугольников. В таких случаях используются правила, действующие для структурных схем.

Изображения на функциональных схемах

Отличие функциональной схемы от структурной заключается в более подробном описании функций имеющихся элементов, деталей и частей. Представленная графика выполняется таким образом, чтобы она наглядно демонстрировала последовательность всех происходящих процессов. Для отображения составляющих применяется совмещенный или разнесенный способы.

Все изображения, представляемые на функциональных схемах, разделяются на несколько категорий:

• Функциональные группы соответствуют условным обозначениям, используемым в принципиальных схемах. Если же применяется изображение в виде прямоугольника, в этом случае наносится наименование данной группы.
• Каждому элементу или отдельной детали присваивается условное графическое обозначение в виде буквенно-цифровых символов, аналогичное принципиальным схемам.
• Устройства, изображенные в виде прямоугольника, должны совпадать с позиционным обозначением, присвоенным на принципиальной схеме. Маркировка состоит из наименования и типа или документа, регламентирующего использование данного устройства. Эта информация располагается внутри прямоугольника. Подобные документы могут указываться и для устройств, представленных условными графическими обозначениями. Какие-либо сокращения и прочие условные наименования наносятся на поля схемы возле прямоугольника.

Дополнительно на схемы наносятся указания параметров и технических характеристик каждой функциональной части, особенности отдельных точек, пояснительные надписи и прочие обозначения.

Если электрическое устройство состоит из различных элементов, в этом случае выполняется разработка сразу нескольких однотипных схем или общая комбинированная схема, включающая в себя все элементы и их разнообразные связи.

Как правильно создать функциональную схему

На данных схемах отображаются детали, элементы и даже целые группы, оказывающие непосредственное влияние на работоспособность электрического устройства, выполнение им своих функций.

Каждая функциональная электрическая схема выполняется по установленным правилам:

• Для отображения функциональных частей и связей между ними применяются специальные условно-графические изображения, определяемые стандартами ЕСКД. Как правило, большинство функциональных частей на этих схемах представляют собой обычные прямоугольники.
• Графически схема строится таким образом, чтобы наглядно продемонстрировать последовательность иллюстрируемых процессов. Для отображение деталей и элементов используются совмещенный или разнесенный способы.
• Совмещенный способ предполагает изображение составных частей, расположенных непосредственно возле друг друга.
• При использовании разнесенного способа все детали и составные части наносятся в разных местах, чтобы создать более наглядное представление об отдельных цепях устройства.

При составлении схем чаще всего используется строчный способ. Графические значки деталей, составляющих единую цепь, отображаются по прямой линии, с последовательным, поочередным расположением друг за другом. Две или несколько цепей, расположенные рядом, прорисовываются параллельно, в виде вертикальных или горизонтальных строк.

При использовании разнесенного способа, на свободных местах схемы могут размещаться графические изображения элементов или деталей, выполненных совмещенным способом. Отдельные детали, используемые в устройстве лишь частично, отображаются полностью. При этом, отдельно указываются как использованные, так и не использованные части. Например, если изображается многоконтактное реле, то использованные контакты прорисовываются длиннее, а неиспользованные – короче.

Особенности составления схем

Функциональные схемы могут создаваться в одно- или многолинейном исполнении. В первом случае цепи с идентичными функциями отображаются в виде одной линии, а одинаковые детали – одними и теми же условно-графическими изображениями.

Многолинейная схема предполагает прорисовку каждой цепи в виде отдельной линии, а их составные части – в виде отдельных графических изображений.

Каждой функциональной группе присваивается обозначение, совпадающее с принципиальной схемой, а также ее наименование. При использовании условно-графических изображений наименования не указываются. Все виды маркировок, наименований, обозначений и типов должны по возможности вписываться вовнутрь прямоугольника.

Пример проектирования цифрового устройства «на пальцах»

Привет, Хабр! Это начало небольшого цикла из двух статей с пошаговым проектированием цифрового устройства с уклоном на практику. Минимум «воды» и максимум практики!

Для начала работы возьмем следующие выходные параметры: 0000110001110001

Примечание: существует множество способов и программ для проектирования цифровых устройств. Показанное в статье может отличаться от привычных вам. Это нормально.

Инструменты, материалы и прочее:

• Electronics Workbench
• Линейка, ручка и листок (для общих расчетов)
• Базовые знания дискретной математики, цифровой схемотехники и принципа работы представленных программ
• Условное графическое обозначение микросхем 7404 (аналог К155ЛН1), 7410 (аналог К155ЛА4), 7410 (аналог К155ЛА4) и 7420 (аналог К155ЛА1)
• Фактическое изображение микросхем 7404 (аналог К155ЛН1), 7410 (аналог К155ЛА4), 7410 (аналог К155ЛА4) и 7420 (аналог К155ЛА1)

Начало работы

1. Построение таблицы истинности и нахождение совершенной дизъюнктивной нормальной формы (СДНФ)

Первым делом необходимо составить таблицу истинности по формуле

где N – количество возможных вариантов, а i – количество выходных сигналов.

В представленном случае это будет выглядеть так:

На основе полученных данных можно перейти к построению таблицы истинности. Для наглядности входные сигналы были обозначены как A, B, C и D, выходной как F.

После построения таблицы истинности можно приступать к получению СДНФ. Это выполняется в два шага:

1. Выделяются строчки таблицы истинности, в которых F=1.
2. Выписывается конъюнкция переменных у всех выделенных строк по следующей формуле: если значение переменной равно 1, то в конъюнкцию включается сама переменная. Если значение равно 0, то включается отрицание переменной. Полученные конъюнкции нужно связать в дизъюнкцию.

2. Создание карты Карно, минимизация и приведение к базису И-НЕ

Полученную СДНФ необходимо сократить при помощи карт Карно.

Три шага для построения карт Карно:

1. так как используются четыре переменные (A, B, C и D), то строится таблица 5×5 клеток;
2. таблица заполняется на основе «координат» из таблицы истинности (из строк, в которых F=1) или СДНФ (суть одна. Просто кому как удобнее);
3. в заключение смежные клетки объединяются в группы. Группы не должны содержать нули. Группы должны быть кратны двум. Группы могут пересекаться.

Следующее действие — минимизация полученных групп. Общий принцип можно свести к следующему:
Если 11 — значение не меняется;
Если 00 — присваивается отрицание;
Если 01 (или 10) — вычеркивается.

Полученные произведения связываются в дизъюнкцию:

После чего составленное выражение приводится к базису И-НЕ при помощи закона де Моргана (отрицание конъюнкции есть дизъюнкция отрицаний, отрицание дизъюнкции есть конъюнкция отрицаний):

Обратите внимание на изменения — появилось двойное отрицание (по одной на «группу» и одно общее) и изменились знаки.

По желанию также можно составить логическую схему. Почему по желанию? Потому что дальше будет составление электронной схемы на основе логических элементов, а она, по своей сути, является той же самой логической схемой, но с возможностью проверки работоспособности.

Пример логической схемы:

3. Электронная схема на основе логических элементов

Основные расчеты завершены. Теперь можно отложить листок с ручкой и линейкой. Переходим в Electronics Workbench.

В данном случае этот этап выступает «промежуточным» и упрощает процесс перехода от выражения в базисе И-НЕ к электронной схеме на основе микросхем.

1 — Питание;
2 — Переключатели, используемые для подачи сигналов;
3 — Индикаторы (применяются для наглядной проверки работоспособности);
4 — Логические элементы типа «НЕ»;
5 — Логические элементы типа «3И-НЕ»;
6 — Логический элемент типа «4И-НЕ»;
7 — Заземление.

Как можно заметить, логические элементы электронной схемы внешне отличаются от тех, что были представлены ранее (в логической схеме). Это связано с тем, что в Electronics Workbench условное графическое обозначение логических элементов выполнено по стандартам ANSI, тогда как показанная ранее логическая схема была выполнена в соответствии ГОСТ 2.743-91.

Работоспособность электронной схемы проверяется по таблице истинности. Для этого нужно нажать кнопку запуска

и начать производить переключения, проводя сравнение с таблицей истинности.

ВАЖНО: нужно проверять каждую строчку. Выборочная проверка ничего не даст.

4. Электронная схема на основе микросхем

На базе имеющихся данных производится построение электронной схемы на основе микросхем (также по полученной схеме можно будет ориентироваться во время проектирования печатной платы).

Как можно заметить, в полученной электронной схеме использовано 4 микросхемы — 7404 (аналог К155ЛН1), 7410 (аналог К155ЛА4), 7410 (аналог К155ЛА4) и 7420 (аналог К155ЛА1). Для того чтобы понять, как происходит подключение, следует обратиться к фактическому изображению микросхем.

Сначала это может показаться сложным, но со временем вы поймете, что это не так уж и трудно.
ВАЖНО: не забывайте делать проверку.