С чего начинается проект автоматизации и системы управления?Автоматизация промышленных объектов, как мы уже знаем, проходит через несколько стадий. В этот раз мы затронем проектирование и типовые примеры подбора используемых элементов с последующим их включением в проектную документацию. В комментариях к предыдущей статье, где я пытался в общих чертах объяснить принцип подготовки к тендерам, советовали начать с изучения ГОСТов. Ну что же. Мы с коллегами, ради интереса, нашли несколько интересных ссылок, чтобы ознакомиться с содержанием этих стандартов. К сожалению, это совсем не применимо на территории ЕС, где мы пользуемся местными нормативными актами и стандартами. Об этом речь пойдёт ниже, в частности об известном сертификате «СЕ» — почему и зачем он нужен.
После тендера мы уже знаем сумму средств, которые выделены на наш фронт работ. Сами работы и их описание получаем в виде ТЗ. А что касается технологии — то в основном мы от заказчика получаем технологический рисунок плюс описание желаемых/предполагаемых алгоритмов работы тех процесса страниц так на 100-200. Многие вещи, что касаются сварочных работ, гидравлики или капитального строительства нас не касаются. Однако хорошо иметь на руках планы всех предполагаемых работ и примерные чертежи зданий, объектов и коммуникаций. Это необходимо как раз на стадии проектирования, для планирования прокладки кабельных трасс, размещения шкафов локального управления и т.д. Во многих случаях бывает оправдано сотрудничать с другими фирмами, чтобы, к примеру, совместно делать прокол под существующими дорогами или укладывать заземление после того, как закончен фундамент зданий, но ещё не начато строительство стен. Большинство трасс с сигнальными кабелями к датчикам давления, температуры, расхода воды, густоты и многим другим, идут вдоль основных технологических труб. Если в планах модернизации есть укладка новых трубопроводов, то мы стараемся договориться с генеральным исполнителем и уложить наши кабельные линии в существующие траншеи.
Так может выглядеть примерный план будущего объекта.
На нем проектным бюро предварительно расположены здания, кабельные трассы, трубопроводы и многое другое. Исходя из него уже можно понять примерную протяжённость кабельных линий, возможное расположение и количество шкафов управления. Также какие-то простые вещи, вроде уличного освещения или расположения/количества камер наружного наблюдения можно быстро разместить на нем же и отправить на согласование. Из этого же плана можно выделить объекты нуждающихся в заземлении по периметру. Здания административные и технологические изначально строятся с заземлением в фундаментах, а остальные объекты должны быть заземлены по периметру с обязательным выведением контрольно-измерительных участков с последующим подключением к общему заземляющему контуру. Ещё в нескольких местах необходимо предусмотреть выводы обычного заземления (мы используем, в основном полосу заземления FeZn 30x4) недалеко от основных трубопроводов. Так, как в последнее время они делаются исключительно из нержавеющей стали и нам нужно перейти с заземления оцинкованного, с помощью медного кабеля сечением 10-16мм², на заземление трубопровода. Для подключения заземления раньше вваривали болты М6 или М8, пока не купили специальный контактный сварочный аппарат, что за секунду «стреляет» шпильки М6-М8. Получается таких мест, где нужны выводы с резьбой для болтового соединения — довольно много. Каждое механическое соединение и ответвление труб должно быть заземлено последовательно. Исходя из стандартов механическое соединение (болтовое или на шпильках) не может быть признано электрическим, кроме редких случаев.
Сам техпроцесс, с которым мы можем столкнуться, может быть совершенно разным: это может быть станция подготовки воды (водоканал), глубинные скважины, станция очистки сточных вод, станция обработки природного и биогаза, а также множество всего другого. Крайне важно получить подробный технологический рисунок с предварительными расчётами сечений трубопроводов. Из него мы можем понять, где и как именно должен происходить техпроцесс:
- В каких местах должны быть технологические измерения (давление, расход, pH, температура, уровень кислорода, густоты и прочие)
- Где необходимо вести контрольный замер по нескольким параметрам.
- Где будут расположены исполняющие устройства, их количество и мощность.
- Можно понять тип устройств — в некоторых случаях достаточно управляемых задвижек или клапанов с принципом работы 1/0 — открыто/закрыто. Тогда, скорее всего, будут использоваться более простые устройства с управлением бинарными сигналами и с обратной связью по ним же — состояние, авария, конечные положения. Или же необходимо использовать устройства с плавной регулировкой положения и тогда управление и обратная связь должны уже идти по каким-то протоколам промышленной связи (profibus, modbus и т.д.).
- То же самое касается и двигателей насосов, компрессоров. Либо достаточно устройств плавного пуска, либо все же необходимо использовать частотные преобразователи
В принципе можно и начинать проектирование. После тендера имеем сумму, в которую нужно поместиться с материалами. Исходя из этого и полученных планов, можно делать скелет проекта автоматизации. Мы не начинаем разработку детального проекта, так как впереди ещё много этапов корректировок и согласований.
Самое простое с чего можно начать — это структурные схемы с посчитанными мощностями исполняющих устройств — будь то помпы, вентиляторы, компрессоры. К ним, исходя из номинальных значений токов и расстояний, подбираются соответствующие сечение кабелей. Если кабели будут иметь подземные участки, то сразу выбирается соответствующее исполнение, к примеру, в помещениях для маломощной однофазной нагрузки используются кабели типа YDY 3x2,5, а устройства снаружи будут использоваться минимум YKY 3x2,5. Согласно параметрам исполняющих устройств подбираются дифференциальные автоматы (если необходимо).
Указывается тип питания — однофазный или трехфазный и параметры автоматических выключателей. Указываем параметры УЗО – номинальный ток, количество фаз, ток утечки и тип самого аппарата. Как и комментарии в коде, здесь важно постараться описать всех потребителей. Это потом пригодится для составления протоколов измерений параметров электрической сети. Если есть такой «скелет» с типами кабелей и защитных аппаратов, мы сделали практически половину работы, что понадобится при контрольных измерениях и составлении протоколов. Не стоит забывать и о монтажниках, что впоследствии и будут изготавливать шкафы. Имея максимум информации на скелетной схеме – они легко могут подобрать количество и тип клемм (по сечению жил), быстро понять иерархию соединения между собой аппаратов защиты и найти названия потребителей. Скелетная схема может занимать 10-15 страниц. А полная проектная электрическая документация с внесенными всеми зависимостями – может содержать 200-300 страниц.
Обычный шкаф, но его тоже надо запроектировать
Пример того, как могут быть расположены элементы в электрическом шкафу и обоснование подбора именно этого размера корпуса.Здесь самый простой электрический шкаф и потому расположение элементов имеет мало значения. В шкафах же управления придётся учитывать множество факторов — тот же температурный режим, особенно, если будут расположены блоки питания 230/24В, частотные преобразователи, контроллеры, панели к ним – тогда необходимо предусмотреть вентиляционные решетки, принудительную вентиляцию включать через термостат. Или же учитывать электромагнитное излучение — от тех же частотных преобразователей. Необходимо заранее предусмотреть место на крепление экранов силовых кабелей от двигателей.
На ней мы показываем расчётное сечение будущих питающих кабелей, типы предохранителей и их номинал. Мощность генератора, если он необходим. Такая структура нужна на этапе согласования в первую очередь. Инспектор, вполне может не согласиться с выносным исполнением генератора или шкафа АВР. А ещё может произойти сокращение/изменение количества шкафов управления и уточнение их расположения.
Пожалуй, самый трудный для согласования этап. Сделать коммуникацию можно практически в любом исполнении/варианте. Однако на деле мы сталкиваемся с тем, что конечные устройства, те же управляемые задвижки AUMA уже куплены/заказаны главным подрядчиком. И они имеют какой-то протокол связи и нам приходится предусмотреть возможность подключения к нашей сети этих устройств. Тем более что существует ещё масса устройств с закрытой системой управления, которые «общаются» с внешними системами через свои протоколы. В конце концов получается эдакий зоопарк протоколов связи что соединяет воедино разрозненную информацию и передаёт на главный контроллер.
Отдельно пару слов об иерархии контроллеров. Если система очень сложная, имеет множество технологических объектов с обилием аналоговых измерений и устройств, с которыми нужно «общаться» или управлять, то мы разбиваем её на несколько шкафов управления. Один из шкафов условно назначаем главным. В нем будет главный контроллер. Он обслуживает свою часть техпроцесса и отвечает за коммуникацию со SCADA. Остальные контроллеры независимы и выполняют свой объем локальных задач, синхронизируя с главным контроллером только некоторые переменные. Те же панели управления HMI — всегда slave. Будут ли они работать или нет — не влияет на работу контроллеров и как следствие — техпроцесса. Панели управления, расположены на дверях шкафов управления и служат исключительно для локального мониторинга или проверки работы оборудования сервисными службами. Наши же программисты оставляют себе backdoor в виде GSM модемов с туннелем в шкафах с контролерами. И тогда к контроллеру в аварийной ситуации можно подключиться удалённо, даже если все панели и компьютер со SCADA выйдет из строя.
Дело в том, что многие предварительные документы на постройку каких-то объектов могут лежать годами. Порой они долго ждут финансирования и успевают устареть. К примеру, часто встречается требование укладки отдельных кабелей питания к камерам. Что-то, вроде кабеля 3х1,5. Плюс витая пара 5 или 6 категории к каждой камере. Если на этапе согласования не удается избавиться от таких «ляпов», то они остаются физически. То есть эти кабеля укладываются, хоть никогда и ни к чему не подключаются. А само подключение и питание камер идет по POE
После скелета проекта и этапов согласования начинается проектирование полноценной документации. Об этом и нюансах проектирования – в следующей части
Вместо вывода:
Начиная с нуля, довольно трудно спроектировать автоматизацию какого-то крупного объекта. Однако все начинали с чего-то небольшого. И пусть это был шутливый проект по охране цветка от кота с помощью Arduino или самодельная ambilight подсветка по документации от Lightpack, это было всего лишь начало. В любом из проектов накапливается опыт. Берутся все более крупные заказы. Да, мы живем в неидеальном мире и постоянно приходится оглядываться на себестоимость проектирования, изготовления, запуска и гарантии. Всегда есть рамки, в которые надо поместиться, будь то время или средства. Но в конце концов, не ошибается только тот, кто ничего не делает. Много интересных вещей мы видели на Хабре, многому научились. Может кому-нибудь поможет наш опыт в области промышленной электроники. Задавайте вопросы в комментариях, делитесь своим опытом, будет интересное узнать другое мнение.
p/s предыдущий пост, начало этой темы Автоматизация и промышленная электроника – когда одним Arduino сыт не будешь
