Промышленная автоматизация — беремся за проектирование
Проектирование — это только поначалу страшно…
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 30×4) 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 10–16 мм², 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.
А вот так может выглядеть технологический рисунок, к которому идёт многостраничное объяснение самого техпроцесса
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 3×2,5, а устройства снаружи будут использоваться минимум YKY 3×2,5. Согласно параметрам исполняющих устройств подбираются дифференциальные автоматы (если необходимо).
Пример структурой схемы с указанием возможного типа кабеля и потребляемой мощности.
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.
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.
Структурная схема части объекта — очень условная, так как здесь только питающие цепи.
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.
Структурная схема коммуникации. Разные цвета — разные протоколы
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.
Структурная схема компьютерных сетей, к ним относятся и сети к камерам наблюдения, особенно после того, как они все стали использовать протокол POE
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 3×1,5. 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
