Что такое функциональная схема?

Нормативная база

Разновидностей электрических схем насчитывается около десятка, количество различных элементов, которые могут там встречаться, исчисляется десятками если не сотнями. Чтобы облегчить распознавание этих элементов, введены единые условные обозначения в электрических схемах. Все правила прописаны в ГОСТах. Этих нормативов немало, но основная информация есть в следующих стандартах:

Нормативные документы, в которых прописаны графические обозначения элементной базы электрических схем

Изучение ГОСТов дело полезное, но требующее времени, которое не у всех есть в достаточном количестве. Потому в статье приведем условные обозначения в электрических схемах — основную элементную базу для создания чертежей и схем электропроводки, принципиальных схем устройств.

Общая классификация

Само понятие подразумевает под собой комплекс условных обозначений, которые предназначены для определения каких-либо конструктивных элементов или частей. В соответствии с правилами и требованиями ГОСТ 2.701-84 выделяют несколько видов, отличающихся как сферой применения, так и типом устанавливаемых обозначений.

Разделение по видам приведено в таблице ниже:

Таблица: разновидности схема

Так, для одного и того же устройства или объекта, при необходимости, могут разрабатываться сразу несколько схем, поясняющих принцип подключения, работы или реализации функций.  Для электротехнического оборудования схемы подразделяются на несколько типов:

• Принципиальные или полные – обозначаются цифрой 3;
• Структурные – обозначаются цифрой 1;
• Функциональные – обозначаются цифрой 2;
• Общие – обозначаются цифрой 6;
• Монтажные или схемы соединений – обозначаются цифрой 4;
• Подключений – обозначаются цифрой 5;
• Расположения и объединенные – обозначаются цифрой 7 и 0 соответственно.

При составлении конкретной схемы используется, как правило, буквенно-цифровые обозначения, к примеру, для электрической функциональной маркировка будет выглядеть как Э2, для газовой структурной Х1 и т.д.

Принципы графического обозначения каких-либо элементов на схемах определяются отраслевыми и государственными стандартами. Они же устанавливают требования к расположению составных частей, их размеры, нанесение шифров, наименований или маркировок.

Функции и задачи подсистем Системы

Для каждой подсистемы приводится перечень выполняемых ею функций и задач. Перечень функций и задач берется из раздела «Требования к функциям, выполняемым системой» технического задания.

Подсистема сбора, обработки и загрузки данных

Подсистема хранения данных

Подсистема формирования и визуализации отчетности

Буквенные обозначения

Помимо графических, есть также буквенные обозначения. Без их использования при чтении схем и чертежей может возникнуть масса нестыковок. Как и графическая, буквенно-цифровая маркировка регламентируется ГОСТом и нормативными документами. В списке ниже указано буквенно-цифровое обозначение основных элементов электросхем:

• Выключатели, контроллеры и переключатели — В;
• Электрические генераторы и двигатели — Г;
• Диоды — Д;
• Кнопки — Кн;
• Лампы — Л;
• Электрические двигатели различных типов — М;
• Предохранители — Пр;
• Выпрямители — Вп;
• Магнитные пускатели и контакторы — К;
• Конденсаторы — С;
• Кнопки управления — Ку;
• Электромагниты — Эм;
• Катушки индуктивности — L;
• Реле — Р;
• Резисторы — R.

Обозначения кинематических чертежей

Буквенные маркировки в электросхемах

ГОСТ устанавливает буквенное обозначение элементов электросхем:

• ПВ – путевой выключатель;
• КВ – конечный выключатель;
• КК – командный контроллер;
• ДП – двигатель подач;
• ДГ – главный двигатель;
• ДШ – двигатель шпинделя;
• КУ – кнопка управления;
• ДО – двигатель насоса управления;
• ДБХ – двигатель быстрых ходов.

Радиотехнические детали обозначаются в схемах так:

• Наименование элементов
• Обозначение
• Наименование элементов
• Обозначение

Определение и назначение каждой электросхемы

Каждый вид электрической схемы реализуется в виде чертежа или графического изображения, выполненного вручную или посредством печатных приспособлений. Основные отличия обусловлены описанием тех или иных функций, указанием последовательности, принципа действия или привязкой к чему-либо.

Принцип построения схем регламентируется стандартом ЕСКД, который реализуется рядом нормативных документов, среди которых достаточно важными считаются ГОСТ 2.702-2011, а также ГОСТ 2.708-81.

Они устанавливают:

• требования к изображениями;
• принципам расположения компонентов;
• оформления чертежей;
• нанесению обозначений и технических характеристик.

Далее детально рассмотрим особенности каждого вида электрических схем.

Функциональные схемы автоматизации – объединение технологической схемы и элементов автоматизации технологического процесса

При разработке функциональных схем автоматизации технологического процесса реализуется ряд задач, таких, как: получение первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования; непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им; стабилизация технологических параметров процесса; контроль и регистрация технологических параметров процессов и состояние технологического оборудования.

Указанные задачи решаются на основании анализа условий работы технологического оборудования, выявления законов и критериев управления объектом, а также требований, предъявляемых к точности стабилизации, контроля и регистрации технологических параметров, к качеству регулирования и надежности.

Функциональные задачи автоматизации, как правило, реализуются с помощью технических средств, включающих в себя:

– отборные устройства;

– средства получения первичной информации;

– средства преобразования и переработки информации;

– средства представления и выдачи информации обслуживающему персоналу и т.д.

Результатом составления функциональных схем автоматизации является:

– выбор метода измерения технологических параметров;

– выбор основных технических средств автоматизации, наиболее полно отвечающих предъявленным требованиям и условиям работы автоматизируемого объекта;

– определение приводов исполнительных механизмов регулирующих и запорных органов технологического оборудования, управляемого автоматически или дистанционно;

– размещение средств автоматизации на щитах и пультах, на технологическом оборудовании или по месту;

– определение способов предоставления информации о состоянии технологического процесса и оборудования.

Функциональная схема является более детальным вариантом структурной, на ней также все элементы изображаются отдельными блоками. Главное отличие в том, что каждый блок имеет уже индивидуальную форму обозначения в соответствии с  его функциональным назначением. Возможно также выделение различных видов связей между частями, объединение деталей в блоки и т.д.

Для систем с передачей управления функциональную схему строят следующим образом. Каждой вершине графа сопоставляют одну из подсистем A, и множество всех состояний системы, при которых управление находится в данной подсистеме. Тогда дуги (стрелки) означают передачу управления от одной подсистемы к другой (рис. 2.13). На такой схеме даже при полной детерминированности каждого следующего состояния предыдущим могут быть разветвления благодаря тому, что каждая вершина соответствует обширному множеству состояний и передача управления может зависеть от состояния управляющего устройства или подсистемы, в которой находится управление. Функциональные схемы часто рисуют обобщенно, пропуская какие-то несущественные детали и шаги. Тогда может оказаться, что то, по какому пути в разветвлении перейдет управление, зависит от состояния нескольких различных подсистем. Условие, при котором осуществляется данный переход, обычно выписывают рядом со стрелкой. Схему на рис. можно понимать в таком именно смысле. Тогда в ней подразумевается, что система имеет две подсистемы: блок проверки и блок выполнения операции, и управление переходит из одной в другую в соответствии со стрелками. У системы могут быть и другие подсистемы (в данном случае — среда), но они никогда не получают управления и поэтому не изображаются на схеме (точнее, те моменты, когда среда меняет состояние системы или меняет свое состояние под действием системы, включаются в процесс действия одного из блоков).

Содержание функциональной схемы

На функциональных схемах в первую очередь отображаются рабочие группы, отдельные элементы и связи, существующие между ними. Графическое изображение наглядно представляет, в какой последовательности выполняются функциональные процессы в данном устройстве.

Все элементы на схеме располагаются наиболее удобным способом, отличающимся от их фактического размещения в приборе. Каждая функциональная часть или деталь соответствует определенным условным обозначениям. Точно так же отображаются связи между ними, позволяющие проследить взаимодействие и влияние на общую работоспособность.

Все графические обозначения установлены соответствующими нормативными документами, где определяются стандарты для отдельных элементов и целых групп. Правила выполнения используются такие же, как и в принципиальных схемах. Изображения отдельных функциональных частей могут выполняться в виде прямоугольников. В таких случаях используются правила, действующие для структурных схем.

Принципы построения структурной схемы

Звенья на схеме изображаютв виде прямоугольников или условных графических обозначений, которые соединяются линиями взаимосвязи. Эти линии стоит обозначать стрелками для указания направления хода процессов между звеньями.Каждое звено изделия на схеме должно иметь наименование или обозначение. Наименование может бытьв форме условного обозначения и описывать тип элемента. В структурной схеме допускается использование дополнительных графиков, диаграмм и таблиц, а также можно указывать параметры и характеристики. Структурная схема должна давать представление о взаимодействии звеньев изделия.

Как правильно создать функциональную схему

На данных схемах отображаются детали, элементы и даже целые группы, оказывающие непосредственное влияние на работоспособность электрического устройства, выполнение им своих функций.

Каждая функциональная электрическая схема выполняется по установленным правилам:

• Для отображения функциональных частей и связей между ними применяются специальные условно-графические изображения, определяемые стандартами ЕСКД. Как правило, большинство функциональных частей на этих схемах представляют собой обычные прямоугольники.
• Графически схема строится таким образом, чтобы наглядно продемонстрировать последовательность иллюстрируемых процессов. Для отображение деталей и элементов используются совмещенный или разнесенный способы.
• Совмещенный способ предполагает изображение составных частей, расположенных непосредственно возле друг друга.
• При использовании разнесенного способа все детали и составные части наносятся в разных местах, чтобы создать более наглядное представление об отдельных цепях устройства.

При составлении схем чаще всего используется строчный способ. Графические значки деталей, составляющих единую цепь, отображаются по прямой линии, с последовательным, поочередным расположением друг за другом. Две или несколько цепей, расположенные рядом, прорисовываются параллельно, в виде вертикальных или горизонтальных строк.

При использовании разнесенного способа, на свободных местах схемы могут размещаться графические изображения элементов или деталей, выполненных совмещенным способом. Отдельные детали, используемые в устройстве лишь частично, отображаются полностью. При этом, отдельно указываются как использованные, так и не использованные части. Например, если изображается многоконтактное реле, то использованные контакты прорисовываются длиннее, а неиспользованные – короче.

Элементы функциональной структуры

В данном разделе указывается состав функциональной структуры системы, приводится перечень подсистем в соответствии с техническим заданием на ее создание.

Например:

В составе Системы выделяются следующие функциональные подсистемы:

1. подсистема сбора, обработки и загрузки данных — предназначена для реализации процессов сбора данных из систем источников, приведения указанных данных к виду, необходимому для наполнения подсистемы хранения данных;
2. подсистема хранения данных — предназначена для хранения данных в структурах, нацеленных на принятие решений;
3. подсистема формирование и визуализации отчетности — предназначена для формирования бизнес-ориентированных витрин данных и отчетности.

Функциональные схемы ИС

В функциональной структуре каждая часть предназначена для выполнения определенной функции. Такими функциями могут быть: получение информации о состоянии объекта, преобразование сигнала, сравнение сигналов и т. п. Части функциональной структуры называют частями и блоками. Названия элементов и блоков указывают на выполняемые функции, например, задающий элемент, управляющий блок, исполнительный блок.

В проектах автоматизации изображают конструктивные структурные схемы с элементами функциональных признаков.

Полные сведения о функциональной структуре с указанием локальных контуров регулирования, каналов управления и технологического контроля приводятся в функциональных схемах.

Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. На линиях взаимодействия рекомендуется стрелками (по ГОСТ 2.721-74) обозначать направления хода процессов, происходящих в изделии.

На структурной схеме отображаются в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между пунктами контроля и управления, оперативным персоналом и технологическим объектом управления. Принятые при выполнении структурной схемы принципы организации оперативного управления технологическим объектом, состав и обозначения отдельных элементов структурной схемы должны сохраняться во всех проектных документах на АСУ ТП, в которых они конкретизируются и детализируются в функциональных схемах автоматизации, структурной схеме комплекса технических средств (КТС) системы, принципиальных схемах контроля и управления, а также в проектных документах, касающихся организации оперативной связи и организационного обеспечения АСУ ТП.

Схема электрическая функциональная (Э2)

На функциональной схеме изображают функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстрируемом схемой, и связи между этими частями. Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой. Пример схемы электрической функциональной:

Функции и задачи подсистем Системы

Для каждой подсистемы приводится перечень выполняемых ею функций и задач. Перечень функций и задач берется из раздела «Требования к функциям, выполняемым системой» технического задания.

Подсистема сбора, обработки и загрузки данных

Подсистема хранения данных

Подсистема формирования и визуализации отчетности

Элементы функциональной структуры

В данном разделе указывается состав функциональной структуры системы, приводится перечень подсистем в соответствии с техническим заданием на ее создание.

Например:

В составе Системы выделяются следующие функциональные подсистемы:

1. подсистема сбора, обработки и загрузки данных — предназначена для реализации процессов сбора данных из систем источников, приведения указанных данных к виду, необходимому для наполнения подсистемы хранения данных;
2. подсистема хранения данных — предназначена для хранения данных в структурах, нацеленных на принятие решений;
3. подсистема формирование и визуализации отчетности — предназначена для формирования бизнес-ориентированных витрин данных и отчетности.

Принципы построения структурной схемы

Звенья на схеме изображаютв виде прямоугольников или условных графических обозначений, которые соединяются линиями взаимосвязи. Эти линии стоит обозначать стрелками для указания направления хода процессов между звеньями.Каждое звено изделия на схеме должно иметь наименование или обозначение. Наименование может бытьв форме условного обозначения и описывать тип элемента. В структурной схеме допускается использование дополнительных графиков, диаграмм и таблиц, а также можно указывать параметры и характеристики. Структурная схема должна давать представление о взаимодействии звеньев изделия.

Принципы построения функциональной схемы

Функциональная схема дает понять, что происходитв отдельных узлах устройства, объясняет принцип его работы. Функциональные части устройства и связи между ними обозначаютс виде специальных графических условных обозначений. Отдельные функциональные части допускается изображатьв виде прямоугольников.Если устройство или звено изображенов виде прямоугольника, то должен быть указан его тип и документ, на основании которого это устройство используется.
Каждому элементу функциональной схемы должно быть присвоено условное обозначение. Рекомендуется указывать технические характеристики каждой функциональной части устройства. Для каждой группы функциональных элементов должно быть указано обозначение, присвоенное ей на схеме, или ее наименование.

На функциональной схеме допускается изображение дополнительных графиков, диаграмм, таблиц, определяющих последовательность проходящих в устройстве процессов по времени, а также указание характеристик отдельных элементов и точек (напряжение, сила тока, импульсы и т.д.).

Как производится построение?

Структуры обычно разрабатываются сверху вниз. То есть сначала выделяют цель и конечный результат, а потом их разбирают на отдельные части, из которых схема будет состоять. В виде списка этапы проектирования можно представить таким образом:

1. Объект разделяется по горизонтали на широкие функциональные блоки.
2. Устанавливается соотношение прав и возможностей влияния.
3. Определяются обязанности каждого субъекта.

Чтобы закрепить знания, предлагаем рассмотреть структурные схемы организации. Мы рассмотрим также то, как она управляется.