АСУ ТП: датчики, контроллеры, SCADA

Структура АСУ ТП по уровням, типы датчиков и исполнительных механизмов, токовая петля 4-20 мА, программирование ПЛК на языках МЭК 61131-3, промышленные сети и SCADA.

АСУ ТП — это иерархия: датчики измеряют, контроллер решает, исполнительные механизмы действуют, SCADA показывает человеку. Курсовая обычно требует спроектировать такую систему для конкретного технологического процесса.

Уровни автоматизации

В курсовой обычно проектируют уровни 0-2. Важное свойство иерархии: нижние уровни должны работать автономно. При отказе SCADA контроллер продолжает поддерживать процесс — это требование безопасности, которое стоит явно отметить в пояснительной записке.

Датчики

Токовая петля 4-20 мА — стандарт аналоговой передачи:

  I = 4 + 16·(X − X_min)/(X_max − X_min)      [мА]

Пересчёт обратно:
  X = X_min + (I − 4)·(X_max − X_min)/16

Пример: датчик давления 0-10 бар показывает 12 мА
  p = 0 + (12 − 4)·10/16 = 5 бар

Преобразование в код АЦП (12 разрядов, 4-20 мА → 0-4095):
  X = X_min + (код − код_4мА)·(X_max − X_min)/(код_20мА − код_4мА)

Программируемые логические контроллеры

• Работают циклически: чтение входов → выполнение программы → запись выходов. Время цикла 1-100 мс.
• Модули ввода-вывода: дискретные (DI/DO), аналоговые (AI/AO), специальные (счётчики, термопарные).
• Гальваническая развязка входов защищает контроллер от наводок и импульсов в силовых цепях.
• Резервирование применяют для ответственных процессов: два контроллера с автоматическим переключением.
• Сторожевой таймер перезапускает контроллер при зависании программы.

Языки МЭК 61131-3

(* Structured Text: регулирование температуры с гистерезисом *)
PROGRAM TempControl
VAR
    rTemp      : REAL;          (* текущая температура, °C *)
    rSetpoint  : REAL := 75.0;  (* задание *)
    rHyst      : REAL := 2.0;   (* гистерезис *)
    xHeater    : BOOL;          (* выход на нагреватель *)
    xAlarm     : BOOL;          (* авария *)
    tonDelay   : TON;           (* таймер задержки аварии *)
END_VAR

(* Масштабирование сигнала 4-20 мА, диапазон 0-150 °C *)
rTemp := 0.0 + (rCurrent - 4.0) * 150.0 / 16.0;

(* Двухпозиционное регулирование *)
IF rTemp < rSetpoint - rHyst THEN
    xHeater := TRUE;
ELSIF rTemp > rSetpoint + rHyst THEN
    xHeater := FALSE;
END_IF;

(* Авария при перегреве с задержкой 5 с — защита от помех *)
tonDelay(IN := rTemp > 95.0, PT := T#5S);
IF tonDelay.Q THEN
    xAlarm  := TRUE;
    xHeater := FALSE;      (* безусловное отключение нагрева *)
END_IF;

(* Обрыв датчика: ток ниже 3,6 мА *)
IF rCurrent < 3.6 THEN
    xAlarm  := TRUE;
    xHeater := FALSE;
END_IF;
END_PROGRAM

Промышленные сети

Modbus остаётся самым частым выбором для курсовой: открытый, простой, поддерживается почти всем оборудованием. Достаточно описать карту регистров — какой адрес какому параметру соответствует.

SCADA

• Мнемосхема технологического процесса с отображением текущих значений и состояний.
• Тренды — графики параметров в реальном времени и из архива.
• Журнал аварий и событий с квитированием оператором.
• Архивирование в базу данных для последующего анализа и отчётности.
• Разграничение прав: оператор, технолог, наладчик, администратор.
• Отчёты за смену, сутки, месяц.

Состав курсового проекта по АСУ ТП

1. Описание технологического процесса и обоснование необходимости автоматизации.
2. Функциональная схема автоматизации по ГОСТ 21.408 — основной чертёж проекта.
3. Перечень входных и выходных сигналов с указанием типа и диапазона.
4. Выбор датчиков и исполнительных механизмов с обоснованием по точности и условиям.
5. Выбор контроллера: расчёт требуемого числа каналов с запасом 15-20 %.
6. Схема электрическая принципиальная щита автоматизации.
7. Алгоритмы управления: блок-схемы, диаграммы состояний, листинги программы ПЛК.
8. Расчёт настроек регулятора, если есть контур регулирования.
9. Экраны SCADA и описание работы оператора.
10. Спецификация оборудования с ценами.

Расчёт числа каналов ввода-вывода:

  N_модулей = ⌈N_сигналов · 1,2 / N_каналов_в_модуле⌉

Коэффициент 1,2 — резерв на развитие системы

Пример: 34 дискретных входа, модуль на 16 каналов
  N = ⌈34·1,2/16⌉ = ⌈2,55⌉ = 3 модуля