TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Projektování měření a regulace Učební text PAS Petr Školník, Tomáš Náhlovský Liberec 2010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

1 Úvod Měřící a řídicí technika v současné době tvoří nedílnou součást veškerých technologických systémů. Při vytváření nebo čtení technologické dokumentace je nezbytně nutné aby člověk, který s touto dokumentací pracuje, dokázal správně nadefinovat nebo přečíst význam a použití jednotlivých měřicích míst a jejich význam pro řízení jednotlivých akčních členů. V technologických schématech je tedy nutno vyznačovat umístění používaných snímačů provozních veličin i umístění akčních členů. Při znázornění měřicích a akčních členů není zapotřebí specifikovat a vyznačovat jejich funkční princip a konstrukční provedení, ale jedná se zejména o znázornění jejich funkce při monitorování průběhu technologického procesu a při jeho řízení. Pro označování měřicích a řídicích obvodů platí od roku 1994 norma ČSN ISO 3511-1 až ČSN ISO 3511-4. Jak je vidět tak označení se skládá z označení měřících míst, akčních členu respektive regulačních orgánů a jejich pohonů. Zde je nutno definovat příslušné písmenné a číselné označení. V tomto textu tedy budou přiblíženy principy značení takovýchto celků. 2 Značky přístrojů (měřících míst) a akčních členů V technologických schématech se značení měření a regulace skládá z označení měřícího místa, regulačního orgánu a jeho pohonu. Dále je jejich přesná funkce popsána pomocí písmenného označení případně pomocí dalšího číselného označení. Značky určují umístění měřících míst snímačů (přístrojů) a akčních členů v technologickém zařízení, lokalizují místo přenášených informací, specifikují chování akčního členu při výpadku pomocné energie a určují přiřazení akčních členů k měřicím a řídicím přístrojům. Značky vyjadřují funkci měřicí a řídicí techniky bez zřetele na konkrétní způsob řešení příslušných obvodů a bez ohledu na druhy signálů, pomocných energií a podobně. 2.1 Značení přístrojů a měřících míst Základní značka přístroje (funkce zpracování informací) se skládá ze dvou částí: 1) Kružnice o průměru cca 10mm, která je nakreslena tenkou čarou. 2) Písmenného kódu vyjadřující měřenou veličinu a funkci. Dále je možno do symbolu do jeho dolní poloviny uvézt pořadové číslo měřicího přístroje, které je možno použít pro další popis v jiném místě dokumentace. Pokud se číslo nebo označení přístroje nevejde do kružnice je možno kružnici zaměnit za ovál. Pro označení měřícího místa se používá slabá čára, která spojuje místo měření (např. potrubí) a symbol přístroje. Pokud je nutno vyznačit přesnou polohu měřícího místa v obrysu technologického zařízení nakreslí se v daném místě malý kroužek o průměru asi 2mm na konci čáry. 2

Obrázek 2.1: Možnosti kreslení měřících míst a přístrojového vybavení. Do horní poloviny označení přístroje se vkládá písmenný kód, který označuje měřenou veličinu a dále udává jeho další funkce ve smyslu zpracování měřené informace. Význam tohoto kódu (označení) je definován v Tab. 2.1. První písmeno tohoto kódu označuje druh veličiny, která je sledována. Přídavné písmeno potom definuje, jestli se jedná o součet, rozdíl, poměr atd. Další písmena pak vyjadřují způsob zpracování informace, tedy zobrazovací nebo jinou výstupní funkci měřícího nebo řídicího zařízení. Značka přístroje pak může být dále jednou nebo dvakrát vodorovně přeškrtnuta. Pokud je značka jednou vodorovně přeškrtnuta znamená to, že se jedná o přístroj umístěný na panelu v centrálním velínu. Dvakrát přeškrtnutá značka přístroje označuje, že přístroj je umístěný v lokálním velínu, lokálním ovládacím panelu v té místnosti nebo v rozvaděči. Pokud značka není proškrtnuta jedná se o měřící přístroj umístěný lokálně v provozu. Obrázek 2.2: Příklady značení přístrojů. 3

Tab. 2.1: Písmenný kód značení přístrojů První písmeno 1) Následující písmeno 1) Měřená nebo řízená Přídavné písmeno Zobrazovací nebo výstupní funkce veličina A Signalizace B Indikace stavu (např. chod motorů) C Regulace, řízení D Hustota Rozdíl E Elektrické veličiny 1) Čidlo, snímač F Průtok Poměr G Měření, poloha, délka H Ruční ovládání I Indikace J Snímání K Čas, časový program L Hladina M Vlhkost N Volitelná uživatelem 3) Volitelná uživatelem O Volitelná uživatelem 3) P Tlak Zkušební bod, přípojka Kvalita 2) - např. analýza, Q koncentrace, vodivost Integrace nebo sečítání Integrování, sumace R Radioaktivní záření Zapisování S Rychlost, frekvence Spínání T Teplota Vysílání U Několik veličin 4) Vícefunkční jednotka Ventil, klapka, žaluzie, ovládací prvek V Viskozita (aktuátor), jiná korekční jednotka W Tíhová síla, síla X Ostatní veličiny 3) Jiné funkce (např. zobrazení) Y Volitelná uživatelem 3) Matematický člen, relé Z Nouzová, zabezpečovací funkce 1) Velká písmena jsou předepsána pro označení měřené nebo řízené veličiny a na dalších místech se používá označení sdělovací nebo výstupní funkce. Malá písmena se používají jako přídavná písmena místo velkých písmen, pokud je tento způsob srozumitelnější. 2) Je nutno doplnit poznámku jaká veličina se měří. 3) Pokud chceme označit veličinu, která není v tabulce označena. Je nutné, označit o jakou veličinu se jedná a v celém dokumentu používat stejné označení. Pokud bude veličina požita jen jednou nebo v malém počtu případů použijeme X, ale je nutné vhodným způsobem označit její význam. 4) Písmeno U se může použít místu skupiny prvních písmen, jestliže jeden člen obvodu má na vstupu několik různých veličin. Pokud je nutno označit maximum nebo minimum, je možné použít rozlišovací písmena H nebo L, která se vyznačí vedle značky přístroje. Mohou se použít i jiná písmena např. pro odchylku, rychlost, změny atd., avšak význam těchto písmen musí být uveden v poznámce na výkresu (ČSN ISO 14917-6). Dále může být vedle značky přístroje popsáno konkrétní umístění (například označení panelu na kterém je umístěn) 4

Dále pokud je to nutné, je možno použít na funkčních schématech upřesňující symboly snímačů (ŠN ISO 3511-2,3). Některé příklad jsou uvedeny v tabulce níže. Tab. 2.2: Značky snímačů. Snímání teploty termočlánkem Te Snímání teploty odporovým čidlem Snímání průtoku venturiho trubicí Snímání průtoku turbínovým průtokoměrem 2.2 Označování akčních členů Dalším důležitým prvkem v technologických schématech automatických systémů jsou označení akčních členů. Toto označení se skládá z označení regulačního orgánu a označení jeho pohonu. Značkou regulačního orgánu, bez rozlišení konkrétního typu je rovnostranný trojúhelník se stranou 5 milimetrů. V případě že je použit konkrétní orgán, je použita normovaná značka jako například ventil (Obrázek 2.3 druhý z leva). Základní značkou pro pohon regulačního orgánu je pak kružnice o průměru 5 milimetrů spojená tenkou čarou s konkrétním regulačním orgánem. Pokud je pohon pouze ruční je kružnice nahrazena půlkružnicí a vepsaným písmenem H (Obrázek 2.3 čtvrtý z leva). Pokud je pohon automatický s ručním ovládáním, je značen jako kroužek s písmenem H ve středu. Pokud je ve schématu potřeba vyznačit konkrétní druh pohonu regulačního orgánu, pak je třeba použít konkrétní značku podle normy ČSN ISO 3511 a ČSN ISO 14617, jejichž příklady jsou uvedeny níže v tabulce. Obrázek 2.3: Regulační orgány a akční členy. Dále je možné doplňkovou značkou definovat funkci akčního členu v případě výpadku pohonné energie, toto je na obrázku dole. Symbol vlevo udává, že po výpadku pohonné energie dojde k zavírání ventilu, na symbolu uprostřed dojde k jeho otevření a na symbolu vpravo zůstane po výpadku energie ventil v dosažené poloze (ventil má nekonečně mnoho definovaných stavů respektive poloh). 5

Obrázek 2.4: Funkce akčního členu. Tab. 2.3: Příklady pohonů akčních členů. Manuální (ruční) ovládání Akční člen s elektrickým motorem Pístový akční člen Selenoidový akční člen Membránový akční člen dvojčinný Membránový akční člen jednočinný Plovákový akční člen Akční len se závažím Pružinový akční člen 2.3 Druhy čar a seskupování značek Pro kreslení potrubí, obrysů technologických zařízení atd. se obvykle používá nepřerušovaná tlustá čára (další značení technologických spojů viz. ČSN ISO 14617-3). Pro připojení přístroje k technologickému zařízení se pak používá nepřerušovaná tenká čára, která musí bít tenčí než technologické zařízení, jak je vidět viz. Obrázek 2.1. Pro znázornění signálních spojů se zpravidla používá tenká nepřerušovaná čára, která je po celé délce přeškrtána šiknou úsečkou, které svírají s čárou úhel 60. Pokud nemůže dojít k nedorozumění, může se použít tenká nepřerušovaná nepřeškrtaná čára. Čáry znázorňující signál musí být kresleny čarou tenčí než čáry znázorňující technologické zařízení. Druh energie pro pohon přístrojů se zde nerozlišuje (není třeba k porozumění schématu). Pokud je nutno druh signálu odlišit, použijeme značku viz. Obrázek 2.6, kde od shora je elektrický, pneumatický, hydraulický, kapilární a vedení signálu směrovou radiací (radiové vlny, světelný paprsek). 6

Obrázek 2.5: Značení signálů. Obrázek 2.6: Signální vedení přístrojů. 3 Funkce řídicího počítače, PLC a spojování symbolů. Řídicím (procesním) počítačem je myšleno programovatelné zařízení, které zpracovává procesní data v reálném čase ve spojení s čidly, za účelem provádění dohlížecích a/nebo řídicích funkcí podle zadání uživatele. Základní značka pro funkce zajišťované řídicím (procesním) počítačem se skládá z šestiúhelníku kresleného tenkou čarou a písmenného kódu, který je definován normou ISO 351-1 a 3511-2, tedy stejně jako pro diskrétní měřicí přístroje. Vzdálenost rovnoběžných stran šestiúhelníku je asi 10mm. V případě nutnosti je možno horní a dolní stranu protáhnout dle potřeby. Pro značení funkcí zajištěných prostřednictvím PLC anebo konfigurovatelným zařízením se sdílenými funkcemi zobrazování anebo řízení použijeme kružnici o průměru asi 10mm vepsanou do čtverce, která se kreslí tenkou čarou. Definice jeho funkce se provádí podle písmenného kódu stejně jako pro diskrétní měřící zařízení. Také je lze doplnit vodorovnou čarou podle umístění nebo označit identifikačním číslem. Obrázek 3.1: Symbol řídicího počítače (vlevo) a PLC Pokud se symboly navzájem dotýkají, pak to mezi nimi znázorňuje funkční vazbu. Například na následujícím obrázku je zobrazeno zapisování a regulace průtoku počítačem a indikace ve velínu 7

diskrétním přístrojem. Je-li nutno vyznačit, že se dá měřená veličina snímat na více místech, je možné doplnit značku přístroje o další vhodné značky, které se propojí tenkými čarami se značkou umístěnou v místě měření. Obrázek 3.2: Příklad spojení symbolů. 4 Příklady použití značek FI Obrázek 4.1: Ukazatel průtoku umístěný lokálně v provozu. Obrázek 4.2: Zapisovací přístroj vodivosti umístěný na panelu v centrálním velínu. Obrázek 4.3:Zapisovací přístroj tlakové diference umístěný lokálně v provozu. Obrázek 4.4: Lokální ukazatel výšky hladiny a zapisovací a signalizační přístroj hladiny umístěný ve velínu. Obrázek 4.5: Zapisování a regulace protečeného objemu. 8

Obrázek 4.6: kaskádní regulace průtoku s indikací teploty a průtoku. Obrázek 4.7: Zapisovací regulátor průtoku, jehož žádaná hodnota je automaticky nastavována podle časového programu. Obrázek 4.8: : Zapisovací regulátor průtoku, jehož žádaná hodnota je ručně nastavována z centrálního velína. Obrázek 4.9: Automaticky ovládaný prvek se zabudovaným ručním ovládáním. 9

Obrázek 4.10: Technologické schéma pro výrobu směsi o daném ph. Přístroj Funkce L01 L02 L03 F01 T01 Q01 Regulace hladiny v nádrži se signalizací maximálního stavu hladiny. Automatická armatura s ručním ovládáním. Ukazatel stavu hladiny s vysílací funkcí. Signalizace minimální hladiny přímo u zařízení. Zápis výšky hladiny na velínu. Zápis proteklého množství v druhém průtoku. Indikace a zápis teploty na prvním přítoku do nádrže. Zapisování a regulace ph v nádrži. 10