Управление техническими системами (лекции)

вставляемых в стандартные ISA или PCI слоты компьютера. В этом случае

аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и

преобразуются в цифровой вид.

3. Аппаратная и программная платформа контроллеров.

Промышленные контроллеры и компьютеры. расположенные на средне уровне

АСУТП играют роль управляющих элементов. принимающих цифровую информацию и

передающих управляющие сигналы.

До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли

PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические

контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны

нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly,

Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт»,

«Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др.

В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых

компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров.

Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их

открытотью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь

пользователь не привязан к конкретному производителю.

Второе важное преимущество их заключается в более «родственных»

связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются

дополнительные затраты на подготовку персонала.

Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают

физическую и программную надежность контроллеров. Под физической

надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в

условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному

воздействию. Под программной понимается способность программного

обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в

заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь

степенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РС-контроллеров

используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные

операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать,

что программная надежность будет выше, чем у PLC.

Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только

требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени,

была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти.

4. Операционная система PC-контроллеров

Операционная система контроллеров должна удовлетворять требованиям

открытости. Но не только им. Специфика условий работы контроллеров требует,

чтобы ОС поддерживала работу в режиме реального времени, была компактна и

имела возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти.

Для PC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX

(фирма QSSL, Канада). Прежде всего, это связано с тем, что архитектура QNX

является открытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться

как из ПЗУ, флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. QNX

разработана в соответствии со стандартами POSIX, является коммерческой

операционной системой, широко распространена на мировом рынке (сотни тысяч

продаж), поддерживает все шины, используемые в PC-контроллерах, включая

ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32. Более ста фирм - производителей

программного и аппаратного обеспечения выпускают продукцию, ориентированную

на QNX.

QNX является операционной системой, которая дает полную гарантию в

том, что процесс с наивысшим приоритетом начнет выполняться практически

немедленно и что критическое событие (например, сигнал тревоги) всегда

будет обработано. Она известна как операционная система, функционирующая в

"защищенном режиме". Это означает, что все программы в системе защищены

друг от друга и любая "фатальная" ошибка в одной из программ не приводит к

"краху" всей системы. Файловая система QNX была разработана с учетом

обеспечения целостности данных при отключениях питания. Даже при форс-

мажорном отключении питания вы лишь потеряете некоторые данные из кэш-

памяти, но файловая система не разрушится. После включения компьютера будет

обеспечена нормальная работа системы. В QNX полностью реализовано

встроенное сетевое взаимодействие "точка-точка". По существу, сеть из машин

QNX действует как один мощный компьютер. Любые ресурсы (модемы, диски,

принтеры) могут быть добавлены к системе простым подключением к любой

машине в сети. QNX поддерживает одновременную работу в сетях Ethernet,

Arcnet, Serial и Token Ring и обеспечивает более чем один путь для

коммуникации, а также балансировку нагрузки в сетях. Если кабель или

сетевая плата выходят из строя и связь прекращается, то система будет

автоматически перенаправлять данные через другую сеть. Это предоставляет

пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличивает скорость и

надежность коммуникаций во всей системе.

5. Средства технологического программирования контроллеров

Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными офисными

компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-

вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического

программирования. Как правило, на промышленных предприятиях с контроллерами

работают не программисты, а технологи, хорошо знающие специфику объектов

управления и технологического процесса. Для описания процессов обычно

используются такие языки, как язык релейно-контактных схем, функциональных

блоков и так далее, теоретические основы которых взяты из методов

автоматического управления. Накопленный многими фирмами опыт был обобщен в

виде стандарта IEC 1131-3 [1], где определены пять языков программирования

контроллеров: SFC - последовательных функциональных схем, LD - релейных

диаграмм, FBD - функциональных блоковых диаграмм, ST - структурированного

текста, IL - инструкций. Важно отметить, что использование данного

стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно,

делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования -

ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода.

В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт: ACCON-

Prosys 1131 (фирма DeltaLogic), Open DK (фирма infoteam Software GmbH),

Multiprog (фирма KW Software), NAiS Control (Matsushita Automation

Controls) и др. Наиболее известной реализацией этого стандарта является

пакет ISaGRAF фирмы CJ International, включающий систему разработки

(WorkBench) и систему исполнения (Target).

Если первая используется для создания, моделирования, тестирования и

документирования прикладных программ, исполняемых под управлением ядра

ISaGRAF, то вторая загружается извне либо записывается в ПЗУ. По данным

организации PLCopen, в настоящее время программа, созданная с помощью

ISaGRAF, может быть загружена и исполнена на процессорах Intel и Motorola

под управлением операционных систем DOS, OS-9, QNX, iRMX, Lynx, pSOS, OS-

9000, VMEexec, VRTX, VxWorks, Windows NT. Основными достоинствами ISaGRAF

являются простой, интуитивно понятный для технолога графический интерфейс,

встроенные средства отладки, моделирования, тестирования и документирования

программ, поддержка промышленных сетей (Profibus, Modbus).

6. Пример реализации контроллеров

В качестве примера контроллера, построенного на базе концепции

открытых систем рассмотрим контроллер CS104 фирмы Steinhoff. Это

компактный, модульный и PC-совместимый компьютер, который может

комплектоваться оборудованием любой фирмы, поставляющей платы в формате

PC/104, в том числе платы ввода-вывода, жесткие или гибкие диски, PC-карты,

флэш-память и т. д. Базовый комплект контроллера фирмы Steinhoff:

процессорный модуль, включающий сам процессор, 4-Мбайт динамическое ОЗУ,

интерфейсы для клавиатуры, мыши, два последовательных и один параллельный

порт, IDE/FDD, 128-Kбайт флэш-памяти, таймер реального времени, сторожевой

таймер, Ethernet. Для ОС QNX обеспечивается удаленная загрузка по сети. По

усмотрению пользователя контроллер CS104 может быть укомплектован одним из

следующих интерфейсов для промышленных сетей: Profibus, CAN, InterBus-S,

LonWorks, II/O Lightbus, к каждому из которых поставляются драйверы,

работающие в QNX. Для технологического программирования используется пакет

ISaGRAF с исполнительной системой для ОС QNX. Такая архитектура ПО

позволяет на работающей системе осуществлять удаленное программирование (на

технологических языках IL, ST, FB, SFC, LD) и отладку в защищенном режиме

элементов приложения, обслуживающих отдельные 32-разрядные задачи рабочего

процесса, что гарантирует высокую надежность работы системы в целом.

Взаимодействие со SCADA-системами обеспечивают драйверы для

нескольких пакетов, таких как RealFlex, Sitex и др. [2]. Таким образом,

контроллер CS104 позволяет построить систему АСУ ТП с использованием

стандартных компонентов, обладающую модульностью и масштабируемостью, т. е.

в полной мере соответствующую концепции открытых систем.

Литература

1. Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для химических производств.

М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.

2. Никитенко Е.А. автоматизация и телеконтроль электрохимической защитой

магистральных газопроводов. М.: Недра, 1976.

3. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств.

Учеб. пособ. -М.: Химия, 1982. - 296 с.

4. Теория автоматического управления / Под ред. Нетушила А.В. Ч.1. -М.:

Высш. шк., 1968.

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования. -М.:

Наука, 1966.

6. Дадаян Л.Г. Автоматизация технологических процессов: методические

указания к курсовому и дипломному проектированию. -Уфа.: Изд-во УНИ,

1985. - 225 с.

7. Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и

автоматика. Л.: Химия, 1988. - 225 с.

8. Стефани Е.П. Основы построения АСУТП: Учеб. пособ. -М.: Энергоиздат,

1982. -352 с.

9. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справочник /Под

ред. Кошарского Б.Д. -Изд. 3-е. -Л.: Машиностроение, 1976. -486 с.

10. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных

процессов в химической промышленности: Учебник. -М.: Химия, 1985. -352 с.

11. Теория автоматического управления: Учебник. В 2-х частях / Под ред.

А.А.Воронова. -М.: Высш.шк., 1986. -Ч.1. - 367 с. - Ч.2. -504 с.

12. Аязян Г.К. Расчет автоматических систем с типовыми алгоритмами

регулирования: Учеб. пособ. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1986. -135 с.

13. Веревкин А.П., Попков В.Ф. Технические средства автоматизации.

Исполнительные устройства: Учеб. пособ. -Уфа.: Изд-во УНИ, 1996. -95 с.

14. ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации.

15. ГОСТ 21.408-93. Правила выполнения рабочей документации автоматизации

технологических процессов.

16. Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть.// СТА.

-1996. -№ 1. –С. 32 – 35.

17. Кабаев С. SCADA-пакет InTouch в отечественных проектах.// Мир

компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 88 – 90.

18. Христенсен Д. Знакомство со стандартом на языки программирования PLC

IEC 1131-3.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 24 – 25.

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Часть 1. Теория Автоматического Управления (ТАУ) 3

1. Основные термины и определения ТАУ. 3

1.1. Основные понятия. 3

1.2. Классификация АСР. 6

1.3. Классификация элементов автоматических систем. 8

2. Характеристики и модели элементов и систем. 8

2.1. Основные модели. 8

2.2. Статические характеристики. 9

2.3. Динамические характеристики. 10

2.4. Дифференциальные уравнения. Линеаризация. 11

2.5. Преобразования Лапласа. 13

2.6. Передаточные функции. 16

2.6.1 Определение передаточной функции. 16

2.6.2 Примеры типовых звеньев. 17

2.6.3 Соединения звеньев. 19

2.6.4 Передаточные функции АСР. 20

2.6.5 Определение параметров передаточной функции объекта

по переходной кривой.

21

2.7. Частотные характеристики.

22

2.7.1 Определение частотных характеристик. 22

2.7.2 Логарифмические частотные характеристики. 24

3. Качество процессов управления. 25

3.1. Критерии устойчивости. 25

3.1.1 Устойчивость. 25

3.1.2 Корневой критерий. 26

3.1.3 Критерий Стодолы. 27

3.1.4 Критерий Гурвица. 27

3.1.5 Критерий Михайлова. 29

3.1.6 Критерий Найквиста. 29

3.2. Показатели качества 30

3.2.1 Прямые показатели качества. 30

3.2.2 Корневые показатели качества. 31

3.2.3 Частотные показатели качества. 31

3.2.4 Связи между показателями качества. 32

4. Настройка регуляторов. 32

4.1. Типы регуляторов. 32

4.2. Определение оптимальных настроек регуляторов. 33

Часть 2. Средства автоматизации и управления. 35

1. Измерения технологических параметров. 35

1.1. Государственная система приборов (ГСП). 35

1.2. Точность преобразования информации. 35

1.3. Классификация КИП. 37

1.4. Виды первичных преобразователей.

37

1.5. Методы и приборы для измерения температуры. 38

1.5.1 Классификация термометров. 38

1.5.2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные. 38

1.5.3 Термометры, основанные на расширении твердых тел. 39

1.5.4 Газовые манометрические термометры. 39

1.5.5 Жидкостные манометрические термометры. 40

1.5.6 Конденсационные манометрические термометры. 40

1.5.7 Электрические термометры. 40

1.5.8 Термометры сопротивления. 42

1.5.9 Пирометры излучения. 42

1.5.10 Цветовые пирометры. 43

1.6. Вторичные приборы для измерения разности потенциалов. 43

1.6.1 Пирометрические милливольтметры. 43

1.6.2 Потенциометры. 44

1.6.3 Автоматические электрические потенциометры. 44

1.7. Методы измерения сопротивления. 45

1.8. Методы и приборы для измерения давления и разряжения. 46

1.8.1 Классификация приборов для измерения давления. 46

1.8.2 Жидкостные манометры. 47

1.8.3 Чашечные манометры и дифманометры. 47

1.8.4 Микроманометры. 48

1.8.5 Пружинные манометры. 48

1.8.6 Электрические манометры.

Преобразователи давления типа "Сапфир". 48

1.9. Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости.

50

1.9.1 Классификация. 50

1.9.2 Метод переменного перепада давления. 51

1.9.3 Расходомеры постоянного перепада давления. 52

1.9.4 Расходомеры переменного уровня. 52

1.9.5 Расходомеры скоростного напора. 53

1.10. Методы и приборы для измерения уровня. 53

1.10.1 Методы измерения уровня. 53

1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня. 53

1.10.3 Буйковые уровнемеры. 53

1.10.4 Гидростатические уровнемеры. 54

1.10.5 Электрические методы измерения уровня. 54

2. Исполнительные устройства 55

2.1. Классификация исполнительных устройств 55

2.2. Исполнительные устройства насосного типа 55

2.3. Исполнительные устройства реологического типа 56

2.4. Исполнительные устройства дроссельного типа

56

2.5. Исполнительные механизмы 57

3. Функциональные схемы автоматизации 58

3.1. Условные обозначения 58

3.2. Примеры построения условных обозначений приборов и средств

автоматизации 60

3.3. Примеры схем контроля температуры 64

3.4. Примеры схем контроля давления 66

3.5. Схемы контроля уровня и расхода 68

Часть 3. Современные системы управления производством 69

1. Структура АСУ ТП 69

2. Устройства связи с объектом (УСО). 70

3. Аппаратная и программная платформа контроллеров 72

4. Операционная система PC-контроллеров 73

5. Средства технологического программирования контроллеров 74

6. Пример реализации контроллеров 75

Литература 76

-----------------------

шкаф

ЭУ

Д

Н

~ U

АТ

R

RT

Rзад

Rзад

М

ЭУ

Д

АТ

Н

Rт

Х

Y (температура)

(задание)

Р

ОУ

x

e

u

y

f

объект

Р

ОУ

x

e

u

f

y

К

ОУ

f

u

Р

ОУ

x

e

u

f

К

у

звено

X

F

Y

у, (С

ууст

t

t

x

t

x

1

t

x

t

x

Т

U

U0

Т0

объект

модель

К

у

t

у

t

у

t

[pic]

у

t

у

t

К

y

t

K.x0

T1< 2T2

T1( 2T2

W1

W2

W3

W1

W2

W3

W1

W2

Wp

Wy

x

e

u

y

f

W(

х

у

у

ууст

t

T

(

(д

х

у

Re

Im

(t

x

y

(

Re

Im

K

0

L(()

(

0,01

0,1

1

10

20

-20

декада

R

C

Uвх

Uвых

L(()

(

0,01

0,1

1

10

20

-20

-20 дБ/дек

(((), (

(

0,01

0,1

1

10

90

-90

L(()

(

0,01

0,1

1

10

20

-20

+20 дБ/дек

(((), (

(

0,01

0,1

1

10

90

-90

R

L

Uвх

Uвых

С

L

Uвх

Uвых

L

С

L(()

(

0,01

0,1

1

10

20

-20

(((), (

(

0,01

0,1

1

10

90

-90

оператор

Р

ОУ

РТ

задание

воздействие

U

температура

показания

термометра

Рис. 1.2

х1 у

х2

Рис. 1.6

ууст

х

Рис. 1.12

а) единичное

ступенчатое

б) (-функция

(дельта-функция,

импульс)

в) линейное

г) синусоидальное (гармоническое)

Рис. 1.13

х

у

х

у

х

у

Re

Im

0

3

2

1

5

5

4

4

6

Wp

Wy

x

e

u

y

f

Re

Im

0

уст.

неуст.

граница уст.

Re

Im

0

-1

неуст.

уст.

Re

Im

((

((

-1

1

П

И

П

Д

[pic]

tp

K0

K1

(опт

Рис. 1.7

Рис. 1.8

Рис. 1.9

Рис. 1.10

Рис. 1.11

Рис. 1.14

Рис. 1.15

Рис. 1.16

Рис. 1.17

Рис. 1.18

Рис. 1.19

Рис. 1.20

Рис. 1.21

Рис. 1.22

Рис. 1.23

Рис. 1.24

Рис. 1.25

Рис. 1.26

Рис. 1.27

Рис. 1.28

Рис. 1.29

Рис. 1.30

Рис. 1.31

Рис. 1.32

Рис. 1.33

Рис. 1.34

Рис. 1.35

Рис. 1.36

Рис. 1.37

Рис. 1.38

Рис. 1.39

Рис. 1.40

Рис. 1.41

Рис. 1.42

Рис. 1.43

А

t0

t

В

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

10

20

30

40

Е, мВ

t, (С

ТХК

ТХА

ТВР

ТПГ

ТПР

4

3

2

1

НП

?U

А

В

RАВ

Е(t t0)

D

ИПС

УЭД

Rк

Rб

Rс

Rн

Rм

Rр

Rш

Rп

А

В

С

D

Е

ИП

УЭД

R3

Rб

R2

R4

R1

Rр

Rш

Rп

А

В

С

D

Rл

Rл

Rт

объект

улица

в операторской

Rт

R1

R4

Rл

Rл

Rл

В

Рбар

Ра

Р1

Р2

Ра

h

Рбар

Н

Ра

(

L

h

Р

1

2

3

4

[pic]

Р1

Р2

Р

I

I

II

II

Рп

ДМ

Т

Д

Q

Н

(

Qвх

Qвых

4

3

2

1

1

3

2

Р

ИМ

РО

u

Хр

Рвх

Рвых

F

Рис. 2.24 - шестеренчатый

насос

F

Рис. 2.25 - шиберный насос

преобразователь

РО

u

?

Рвх

Рвых

ИМ

РО

u

Сi

Рвх

Рвых

Рu

Рис. 2.1

Рис. 2.2 – Градуировочные характеристики термопар

Рис. 2.3

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Рис. 2.6

Рис. 2.7

Рис. 2.8

Рис. 2.9

Рис. 2.10

Рис. 2.11

Рис. 2.12

Рис. 2.13

1

10

9

8

7

6

5

4

3

2

Рис. 2.14

Рис. 2.15

Рис. 2.16

Рис. 2.17

Рис. 2.18

Рис. 2.19

Рис. 2.20

Рис. 2.21

Рис. 2.22

Рис. 2.23

Рис. 2.26

Рис. 2.27

Рис. 2.28

Рис. 2.29

далее аналогично

FE

302-1

далее аналогично

на щите по месту

FT

301-2

FE

301-1

205-6

РА

205-5

205-4

Объект

РC

205-3

РIRK

205-2

РT

205-1

на щите по месту

РIR

204-2

РТ

204-1

на щите по месту

203-4

Объект

РC

203-3

РIRK

203-2

РT

203-1

на щите по месту

202-3

РА

202-2

Объект

РТ

202-1

на щите по месту

Объект

РE

201-1

104-3

104-4

TIRCA

104-2

Объект

TE

104-1

на щите по месту

103-3

Объект

TIC

103-2

TE

103-1

на щите по месту

Объект

TC

102-5

E/E

TT

102-2

E/Р

TIRK

102-4

TT

102-3

TE

102-1

на щите по месту

E/E

TIR

101-3

TT

101-2

TE

101-1

на щите по месту

HS

HA

H

NS

FY

K

PY

P/E

TY

E/E

BS

WIA

VI

UR

U=f(F,P,T)

SR

QRC

H2SO4

RIA

(,(

QI

O2

QE

pH

MR

KS

EI

W

EI

A

V

EI

EI

GI

DT

H

L

LIA

H

LCS

LT

LS

LI

LE

FQIS

FQI

FQI

FT

FFR

FT

FE

PC

PS

PIS

PR

PT

PDI

PI

HC

HC

TS

TC

TRK

TC

TRC

TIR

TT

TR

TI

TI

TE

г)

в)

10

15

10

б)

а)

д)

Рис. 2.30

Т

S

S

а) б) в) г) д) е)

Рис. 2.31

Рис. 2.32

Рис. 2.33

Рис. 2.34

Рис. 2.35

Рис. 2.36

Рис. 2.37

Рис. 2.38

Рис. 2.39

Рис. 2.40

Рис. 2.41

объект

датчики

исполнительные

механизмы

УСО

контроллеры,

регуляторы

АРМ

опрератора

вычислительная сеть предприятия

Нижний уровень

Уровень производственного участка

Уровень управления

производством

Рис. 3.1

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5