Проектирование автоматизированных систем (стр. 2 из 11)

Поскольку эксплуатация с точки зрения потребителей системы является основным этапом ее жизни, то усилия проектировщиков направлены на то, чтобы обеспечить безусловное выполнение системой заданных технических характеристик.

С этой целью на этапе проектирования разрабатываются методы и технические средства обслуживания системы.

Они, как правило, включают системы контроля и восстановления технического состояния эксплуатируемой сложной системы. В силу изложенного снятие с эксплуатации системы связано с ее моральным старением и неэффективностью ее дальнейшей эксплуатации.

1.3 Задачи проектирования

Проектирование систем представляет собой высокоинтеллектуальное занятие, творчество, требующее применения разнообразных знаний. Задачей инженерного проектирования является разработка, при некоторых ограничениях, обусловленных способом решения, систем (элементов, процессов), обеспечивающая оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на решение.

Как следует из рисунка 3, основными ограничениями, помимо физических, являются: наличие знаний (навыков), в том числе технологических, наличие необходимых материалов и комплектующих элементов и устройств, возможности имеющегося лабораторного и производственного оборудования, имеющаяся вычислительная техника и сроки проектирования.

На последнем ограничении следует остановиться особо. При современных, все ускоряющихся темпах научного и технического прогресса предельное сокращение сроков проектирования становится одним из главных требований к процессу проектирования.

Действительно, при увеличении сроков проектирования, новизна и оригинальность решений, используемых в проекте, теряются. Еще не будучи осуществленным, проект может морально устареть и потерять смысл. Поэтому быстротечность процесса проектирования, иными словами динамика этого процесса, становится одной из главных его характеристик.

Важнейшей задачей проектирования является разработка и отработка полного комплекта технической документации на систему. Эта документация, с одной стороны, должна обеспечивать возможность промышленного изготовления системы, отвечающей заданным требованиям, и, с другой стороны, – обеспечивать надежную эксплуатацию системы в заданных условиях.

Рисунок 3 – Ограничения при проектировании систем

В результате проектирования выпускается большой объем технической документации, состав которой в нашей стране определяется системой ГОСТов.

Эти ГОСТы можно условно разделить на три группы:

1) стандарты на правила разработки и классификации конструкторских документов;

2) стандарты на правила выполнения и оформления конструкторских документов;

3) стандарты на правила обращения и использования конструкторских документов.

Техническую документацию, выпускаемую в процессе проектирования, подразделяют на следующие категории:

- схемную;

- конструкторскую;

- монтажную;

- текстовую;

- технологическую;

- эксплуатационную.

Если схемная, конструкторская, монтажная и текстовая документации являются отражением идей и принципов, заложенных в систему при ее проектировании, и отвечают на вопрос, что должно быть изготовлено, то технологическая документация дает представление о методах и средствах изготовления системы.

Эксплуатационная документация, как правило, включает в себя основные документы схемной, конструкторской и текстовой документации и должна обеспечивать грамотную эксплуатацию системы.

1.4 Условия эксплуатации систем и их влияние на процесс проектирования

Системы автоматики эксплуатируются в условиях воздействия на них различных факторов, из которых можно выделить две группы: объективные, определяемые средой, и субъективные, определяемые обслуживанием системы (рис. 4).

Рисунок 4 – Эксплуатационные факторы, воздействующие на системы

В зависимости от особенностей применения системы автоматики подразделяют на: стационарные, наземные, автомобильные, судовые (корабельные), авиационные, космические и т.п.

Естественно, что условия эксплуатации, а следовательно, и требования к системам будут различными для каждого из перечисленных видов. Так, например, системы стационарного типа не будут испытывать механических перегрузок, столь характерных для систем нестационарного типа (автомобильной, авиационной и т.п.). Могут при этом существенно отличаться и климатические условия эксплуатации.

В зависимости от временного режима различают системы разового действия, дежурные системы и системы непрерывного действия. Если системы разового действия используются по своему целевому назначению только 1 раз, то дежурные системы характеризуются многоразовым действием.

Режим работы дежурных систем включает в себя как период ожидания (дежурства), так и период использования по прямому назначению (рабочий режим). Примером подобных систем может быть система слепой посадки самолетов.

Системы непрерывного действия используются по своему целевому назначению непрерывно в течение всего заданного срока эксплуатации. Примером последних могут быть системы управления непрерывными процессами, такими как металлургические, нефтехимические и т.п.

Системы автоматики в зависимости от условий эксплуатации подразделяют также на обслуживаемые, когда в процессе эксплуатации возможно проведение профилактических и ремонтных работ, и необслуживаемые.

Среди внешних факторов воздействия, прежде всего, следует выделить климатические, оказывающие наибольшее влияние на системы.

Остановимся кратко на характеристике климатических условий эксплуатации систем.

Температура окружающего воздуха +20 °С принимается нормальной. Однако даже на территории только Российской федерации температура воздуха на поверхности земли может изменяться от -52 °С до +40 °С. Еще более высокая температура – до +58 °С отмечается в Африке, а более низкая – до -87 °С в Антарктиде. Также существенно изменяется температура воздуха с увеличением высоты над уровнем моря.

Влажность воздуха изменяется также в широких пределах. Абсолютная влажность на уровне земли колеблется от 0,1 г/м³ в полярных районах до 30 г./м³ в тропиках. Обычно влажность воздуха выражают в относительных единицах, при этом нормальной относительной влажностью воздуха считают 65%.

Во влажных тропиках (например, в Восточной Индии и Бирме) относительная влажность достигает 98% при температуре до +40 °С.

Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. (1,01∙10⁵ Па). Вблизи поверхности Земли атмосферное давление непрерывно изменяется. Зафиксированное минимальное давление на уровне моря составило
684 мм рт. ст. (0,91∙10⁵ Па), а максимальное – 807,7 мм рт. ст.
(1,08∙10⁵ Па). Изменение атмосферного давления также существенно зависит от высоты объекта над уровнем моря.

Ветровые нагрузки создаются движением воздушной среды и изменяются в широких пределах. Так, у поверхности Земли, скорость движения воздушной среды (ветра) изменяется от 0 до 200 км/ч. С ростом высоты увеличивается скорость ветра, достигая максимума в районе тропопаузы и уменьшаясь в стратосфере.

На больших высотах наблюдаются узкие пояса, в которых господствуют ветры со скоростью до 400 км/ч и более (так называемые струйные течения).

Вода, выпадающая в виде атмосферных осадков, содержит неорганические и органические частицы. В приморских зонах особенно характерны примеси хлористого натрия, а в тропических – повышенное содержание азотной кислоты. Снег содержит больше азотистых соединений, чем дождь.

Солнечная радиация может вызвать сильный нагрев незащищенных элементов конструкции систем. Плотность потока солнечной энергии, достигающая земной поверхности, изменяется от 0,91 до 1,4 кВт/м² в зависимости от поглощающей способности атмосферы и сосредоточена в основном в области длин волн 0,2 … 0,5 мкм.

Опасны для работоспособности систем пыль и песок. Проникая в подвижные части, они вызывают повреждения. Кроме, того, пыль способствует увеличению электростатических зарядов, что приводит к росту помех, а в отдельных случаях к взрывам.

К наиболее характерным факторам воздействия биологической среды на конструкции систем относятся грибковые образования (плесень), особенно интенсивно развивающиеся при повышенной влажности неподвижного воздуха (более 85%) и температуре от 20 до 30 °С.

Некоторые виды насекомых, например термиты, обитающие в основном в жарких и сухих зонах, пожирают органические материалы, особенно изоляционные. В этом же отношении опасны и грызуны, любящие поедать изоляцию коммуникационных линий.

В высоких слоях атмосферы может иметь место ионизация воздуха, в результате чего возрастает его электропроводность, что может привести к нарушению работоспособности системы.

Значительное влияние на работу систем оказывает радиоактивное излучение. Это влияние особенно сильно проявляется на материалы кристаллической структуры, воздух, изоляцию, стекло и электролиты.

Смещение атомов в кристаллической решетке при облучении быстрыми нейтронами нарушает нормальную работу германиевых и кремниевых диодов, транзисторов, фотосопротивлений и термисторов.

Ядерное излучение изменяет, прежде всего, величину начального коллекторного тока транзисторов и значение коэффициента усиления. Маломощные высокочастотные транзисторы подвержены влиянию различных видов радиации значительно меньше, чем низкочастотные и мощные.

Радиация ионизирует воздух, уменьшает проводимость между точками монтажа и может нарушить нормальную работу систем.