Лекции - Автоматизированная информационная система ГУ имени

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. Семей
Документ СМК 3уровня
УМКД
УМКД
Программа дисциплины
“Автоматизация типовых
технологических процессов”
учебно-методические
материалы
Редакция №1
УМКД 042-18-11.1.20.81/032013
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Автоматизация типовых технологических процессов»
для специальности 5В070200 - Автоматизация и управление
Учебно-методические материалы
Семей
2013
1
СОДЕРЖАНИЕ
1 Глоссарий
2 Лекции
3 Лабораторный практикум
4 Практические занятия
5. Блок контроля знаний
3
5
99
131
164
2
1 Глоссарий
Технологический объект управления (ТОУ) — это совокупность
технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим
инструкциям или регламентам технологического процесса производства.
Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУ ТП образуют
автоматизированный технологический комплекс (АТК).
Автоматический регулятор – это средство автоматизации, получающее,
усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величины и
целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспечивает
поддержание заданного значения регулируемой величины или изменения ее
значения по заданному закону (алгоритму).
Совокупность объекта управления и автоматического управляющего
устройства, взаимодействие которых приводит к выполнению поставленной цели
управления, называется системой автоматического управления
Под управлением – будем понимать процесс организации такого
целенаправленного воздействия на объект, при котором объект переходит в
требуемое состояние или положение.
Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая совокупность методов
и технических средств, освобождающих человека от непосредственного выполнения
операций по контролю и управлению производственными процессами и
техническими устройствами.
Системы автоматической сигнализации (САС) предназначены для извещения
обслуживающего персонала о состоянии технологической установки или
протекающего в ней технологического процесса.
Системы автоматического контроля (САК) осуществляют без участия
человека контроль (т.е. измерение и сравнение с нормативными показателями)
различных величин, характеризующих работу технологического агрегата или
протекающий в нем технологический процесс. В промышленном производстве
часто используют системы централизованного контроля (СЦК), в которых вся
технологическая информация собирается и обрабатывается на центральном пульте
управления.
Системы автоматической блокировки и защиты служат для предотвращения
возникновения аварийных ситуаций в агрегатах и устройствах.
Системы автоматического пуска и останова обеспечивают включение,
переключение и отключение различных приводов и механизмов агрегата или
технологической установки по заранее заданной программе.
Системы автоматического управления (САУ) предназначены для управления
работой тех или иных технических устройств и агрегатов или протекающими в них
технологическими процессами.
Системы автоматической сигнализации (САС) предназначены для извещения
обслуживающего персонала о состоянии технологической установки или
протекающего в ней технологического процесса.
Системы автоматического контроля (САК) осуществляют без участия
человека контроль (т.е. измерение и сравнение с нормативными показателями)
3
различных величин, характеризующих работу технологического агрегата или
протекающий в нем технологический процесс. В промышленном производстве
часто используют системы централизованного контроля (СЦК), в которых вся
технологическая информация собирается и обрабатывается на центральном пульте
управления.
Системы автоматической блокировки и защиты служат для предотвращения
возникновения аварийных ситуаций в агрегатах и устройствах.
Системы автоматического пуска и останова обеспечивают включение,
переключение и отключение различных приводов и механизмов агрегата или
технологической установки по заранее заданной программе.
Системы автоматического управления (САУ) предназначены для управления
работой тех или иных технических устройств и агрегатов или протекающими в них
технологическими процессами.
Автоматическое регулирование – это одна из важнейших функций
автоматического управления, без осуществления которой невозможна работа
большинства систем управления. В сложных системах управления, особенно с
использованием ЭВМ, управлением называют процесс выработки необходимого
решения, а регулированием - его реализацию на объекте
Возмущающими называются воздействия, которые выводят объект из
состояния равновесия, т.е. нарушают его материальный или энергетический баланс.
Регулирующие (управляющие) воздействия представляют собой воздействия,
восстанавливающие прежнее равновесие объекта или переводящие его в новое
состояние равновесия.
Возмущающими называются воздействия, которые выводят объект из
состояния равновесия, т.е. нарушают его материальный или энергетический баланс.
Регулирующие (управляющие) воздействия представляют собой воздействия,
восстанавливающие прежнее равновесие объекта или переводящие его в новое
состояние равновесия.
Объекты регулирования, которые возможно характеризовать значением регулируемой величины X в одной точке пространства, называются объектами
регулирования с сосредоточенными параметрами.
Некоторые другие объекты необходимо характеризовать значением
регулируемой величины X в нескольких точках пространства (температура металла
по длине зоны вторичного охлаждения в МНЛЗ, давление газов по высоте доменной
печи) или распределенными в пространстве регулирующими воздействиями. Такие
объекты называются объектами с распределенными параметрами.
Стабилизирующие системы – обеспечивают поддержание регулируемой
величины на постоянном заданном значении
Следящие системы – обеспечивающие изменение регулируемой величины в
заданном соотношении с управляющим воздействием, которое изменяется
произвольным образом, не зависящим от данной системы
4
Лекции
Лекция 1. Тема: Общие сведения о локальных системах автоматизации
Задача автоматизации состоит в осуществлении управления технологическими
процессами (ТП).
Под ТП понимают совокупность технологических операций, проводимых над
исходным сырьем, целью которого является получение продукта, обладающего
заданными свойствами ТП, реализованного на соответствующем технологическом
оборудовании называется технологический объект управления (ТОУ). Под ТОУ
может быть представлен аппарат, агрегат или установка, так и производство и
предприятие. Внешние воздействия нарушают работу ТОУ, поэтому для
поддержания его нормального функционирования ОТУ нужно управлять. Процесс
управления предусматривает:
1. Сбор информации о текущем состоянии ОУ.
2. Определение оптимального режима функционирования объекта.
3. Вычисления управляющих воздействий.
4. Реализация оптимального управления.
Для каждой стадии автоматизации должны быть намечены главные
направления развития с учетом принятых общеизвестных тенденций,
совершенствование технологических средств автоматизации, как на стадии
проектирования, так и внедрение локальных средств автоматизации.
Целесообразность автоматизации определяется в первую очередь
экономическими соображениями, оцениваемые с учетом:
1. Однородность сырья, стабильность источников энергии и материальных
потоков.
2. Степень механизации рассматриваемого процесса.
3. Наличие технических характеристик приборов, позволяющих
осуществлять анализ качества сырья и изменения режимных
параметров.
4. Технологические
возможности
осуществления
управления
воздействиями и установки исполнительных механизмов.
5. Потребность в вычислительной технике и логических программных
устройствах.
6. Ориентировочная стоимость.
Автоматические системы осуществляют следующие функции управления:
1. Одноконтурное автоматическое регулирование.
2. Каскадное и программное регулирование.
3. Многосвязное автоматическое регулирование.
4. Логическое управление.
5. Оптимизированное управление установившихся режимов.
6. Оптимальное управление переходными режимами.
5
Основным инструментом для решения проблем производства служат
автоматизированные систему управления (АСУ).
АСУ – это человеко-машинная система, автоматический сбор и обработку
информации необходимой для оптимизации управления в различных видах
человеческой деятельности.
Процесс оптимизации предполагает выбор такого варианта управления, при
котором достигается минимальное или максимальное значение некоторого
критерия, характеризующего качество управления.
Существуют 3 вида АСУ:
1. АСУП – автоматизированная система управления предприятием.
Предназначена для решения основных задач управления производственнохозяйственной деятельностью промышленного предприятия в целом на основе
применения математических методов. К особенностям АСУП относят:
1) В АСУП доминирующее значения имеют экономические показатели.
2) Определяющим
в
управлении
предприятием
является
не
технологические ограничения, а директивные указания в виде плана.
3) Наличие специфических законов управления, снабжением, сбытом,
финансовой деятельностью.
Основным критерием управления для АСУП является прибыль предприятия
за планируемый период.
2. АСУ ТП – это система, реализуемая на базе высоко эффективной
вычислительной
и
управленческой
технике,
которая
обеспечивает
автоматизированное управление технологическим комплексом с использованием
централизованной обработанной информации, по заданным технологическим и
технико-экономическим
показателям,
определяющим
качественные
и
количественные результаты выработки продукта, и подготавливает информацию
для решения организационно-экономических задач. АСУ ТП вырабатывает
управляющее воздействие в том же темпе, что и работает технологическое
оборудование, работает в режиме «реального времени».
3. Локальные системы автоматизации.
Здесь задача сводится к стабилизации необходимых режимов, процессов,
протекающих в отдельных аппаратах путем поддержания заданных значений
характерных технологических величин (t, P,…). Одновременно совершается
сигнализация о нарушения заданного режима, защита и блокировка оборудования,
его пуск и останов, а также дистанционное управление процессом. Функциональные
блокировки и сигналы осуществляются простыми устройствами, функции
стабилизации режимов выполняют регуляторы.
Автоматическим регулятором называется устройство, с помощью которого в
локальных АСР обеспечивается автоматическое поддержание технологического
параметра на заданном уровне или изменяется по заданной программе. В
зависимости от вида регулятора структурная схема имеет вид:
1) При непрерывном законе регулирования (рис. 1)
Uзад
ε=Uзад-Uр
6 ТОУ
Uр
R
У
Рис. 1
Где ε – сигнал рассогласования;
R – регулятор цепи обратной связи.
2) При релейном управлении.
ТОУ
R
Рис. 2
Классификация АСР
1) По принципу регулирования АСР делятся:
 АСР действующие по отклонению (рис. 1);
 АСР действующие по возмущению (рис. 3 а);
 Комбинированные АСР (рис. 3 б).
R
Z
R
ТОУ
Z
ТОУ
R
А)
Б)
Рис. 3
2) По числу регулируемых величин:
 Одномерные – это системы, имеющие по одной регулируемой
величины.
 Многомерные делятся на системы несвязного регулирования и системы
связного регулирования.
Системы несвязного регулирования используются когда взаимное влияние
регулируемых величин мало или отсутствует. В системах связанного регулирования
регуляторы различных величин одного технологического объекта связаны между
собой внешними связями с целью ослабления взаимного влияния регулируемых
величин.
3) По числу контуров: одноконтурные и многоконтурные.
7
4) По назначению:
 Системы автоматизированной оптимизации
 Системы программного управления
 Следящие системы – это когда заданное значение регулируемой
величины за ранее не известно, а является функцией внешней
независимой технологической величины.
5) По характеру регулируемых воздействий
 Непрерывные – непрерывное изменение входной величины
соответствует непрерывному изменению параметра на выходе каждого
звена.
 Релейные (позиционные) – выходная величина минимальна
(максимальна).
 Импульсное – это АСР, имеющая в своем составе звено, которое
преобразует непрерывную входную величину в последовательность
импульсов с определенным периодом чередования. Период импульсов
задается принудительно.
Лекция 2 Тема: Статика и динамика систем автоматизированного
управления.
В промышленных условиях автоматические системы могут находиться в
статических (равновесных) и динамических (неравновесных) состояниях.
Равновесное состояние характеризуется постоянством во времени входных,
выходных и промежуточных величин. При эксплуатации объекта равновесное
состояние нарушается в результате действия различных возмущений и все величины
начинают изменяться во времени, такое их состояние называется неравновесным.
Работа большинства объектов состоит в преобразовании по определенному закону
материальных и энергетических потоках. Закон преобразования задается
передаточной функцией. При этом возможны два режима работы:
1. Статический;
2. Динамический.
В статическом режиме приток вещества и энергии в объекте равен стоку.
Q ( пр ) (t)=Q (ст ) (t)
В статическом режиме каждому значению сигнала на входе соответствует
определенное значение выходного сигнала.
y=f(x)
8
h
Q пр
Q ст
Рис.1
Уравнение динамики описывается дифференциальным уравнением.
Динамические системы также называют астатическими. Поэтому изучение
динамических свойств объекта составляет главную задачу анализа АСР.
Главная задача анализа АСР. Существует два метода определения:
1. Аналитический;
2. Экспериментально – аналитический.
Аналитический метод.
Уравнение математической модели объекта составляют на основании главных
физико – химических закономерностей, определяющих ход процесса. Метод удобен
тем, что в полученное уравнение входят основные параметры процесса и наглядно
видны связь этих параметров с характеристикой объекта. Составляется уравнение
материального и энергетического баланса для динамического режима работы
объекта.
Общий вид:
T
dy
+Y(t)= K·X(t),
dt
где T – постоянная времени;
К – коэффициент усиления;
X – регулирующее воздействие.
Экспериментально – аналитический.
Метод используют, когда статические и динамические характеристики объекта
определяются путем аналитической обработки результатов эксперимента. Основной
недостаток: полученная математическая модель может быть использована только
для данного объекта. Экспериментальное определение характеристик объекта
производится активными методами: на объект, находящийся в состоянии
равновесия наносят импульсное входное воздействие, реакция объекта на такое
воздействие называется кривой разгона. Кривую разгона получают по каналу
передачи регулирующего воздействия. С момента нанесения возмущения
регулируемая величина регулируется во времени до стабилизации ее на новом
9
значении для статического, или до установления постоянной скорости ее изменения
для астатического объекта.
x
2
1

t
T0
1 - статический объект 1-го порядка;2 – астатический объект 2-го порядка.
Рис.2
При снятии кривой разгона необходимо выполнить следующие условия:
1. Если проектируется система стабилизации, то кривая разгона должна
сниматься в окрестности рабочей точки.
2. Кривые разгона необходимо снимать как при положительных, так и
отрицательных скачках управляющего воздействия. По виду кривых разгона
можно судить о степени асимметрии объекта. При большой асимметрии
расчет настроек регулятора рекомендуется вести по усредненным значениям.
3. При наличии “зашумленного” 5;10 % выхода двигателя необходимо снимать
несколько кривых разгона с последующим наложением друг на друга и
получение усредненной кривой.
4. При снятии кривой разгона необходимо выбирать наиболее стабильные
режимы, например, когда действие внешних случайных возмущений
маловероятно.
5. При снятии кривой разгона амплитуда пробного входного сигнала должна
быть с одной стороны достаточной, чтобы кривая разгона четко выделилась
на фоне шумов, с другой стороны достаточно малой, чтобы не нарушать
нормального хода технологического процесса. Поэтому в зависимости от
геометрических размеров объекта управления возмущающего воздействия по
каналу регулирования равно x=7-12% хода рабочего органа.
Изменение во время выходной величины системы от момента нанесения
возмущающего воздействия до прихода ее в равновесное состояние называют
переходным процессом, он зависит как от динамических свойств системы, так и
входных воздействий и начальных условий.
y(t)=y В (t)+y С (t), где
y В (t) - вынужденная, определяется видом возмущающего воздействия;
10
y С (t) - свободного движения, зависящая от свойств системы и начальных условий.
В различных системах при одних и тех же процессах переходные процессы
протекают различно.
Виды переходного процесса может быть следующей:
1.
///
/..
./
y
t
2.
…
y
t
3.
y
t
4.
y
t
1.
Аппериодический - сходящийся, выходная величина плавная без колебаний,
отклоняется от первоначального значения, и затем система постепенно
возвращается в равновесное состояние.
11
Колебательный – сходящийся, выходная величина системы совершает
колебания с постоянно уменьшающейся амплитудой.
3. Колебательный – гармонический, постоянная амплитуда колебания.
4. Колебательный – расходящийся, колебания увеличиваются.
1,2 – устойчивые системы.
3 – на границе.
4 – не устойчивая система.
2.
Основные показатели качества регулирования.
Временная характеристика системы представляет собой изменение выходной
величины во времени при подаче на ее вход типового апериодического
воздействия, в качестве которого используют единичное ступенчатое воздействие.
1(t)= 1, при t>0
при t<0
y
t
Для различных систем регулирования важен характер затухания переходного
процесса, если затухания происходят медленно, значит, САР обладает
недостаточным быстродействием и применение его ограничено. Если затухания
протекают быстро, то система обладает высокой работоспособностью.
Основными показателями качества являются:
12
y
y1
y ст
t
y2
t рег
1. Статическая ошибка регулирования Y 1 - отклонение регулируемого параметра
от заданного значения после окончания переходного процесса.
2. Динамическая ошибка регулирования Y 2 – это максимальное отклонение
регулируемой величины от заданного значения.
3. Перерегулирование - это максимальное отклонение регулируемой величины в
установившемся режиме, выраженной в процентах %.

y1  y 2
 100%
y1
4. Время регулирования – отрезок времени в течение, которого регулируемая
величина достигает нового установившегося с некоторой, заранее
установленной точностью.
Лекция №3 Тема: Выбор типа регулятора
Характер действия регулятора определяем по отношению t/T0<0,2 – позиционное,
0,2<t/Т0<1 –непрерывное регулирование, t/T0>1 – многоконтурные СУ.
Постоянная времени Т0 – время, в течение которого выходная величина
достигла бы своего максимального значения, если бы она изменялась с постоянной
скоростью равной скорости её изменения в начальный момент времени.
Исходными данными для расчета являются: 1.Динамические свойства ОУ (t,
T0, K0). 2.Максимальная величина возмущающего воздействия (Хв= 7 – 15%) хода
рабочего органа. 3.Принятый вид типового переходного процесса. 4.допустимые
показатели качества переходного процесса у1 доп., у ст, tр доп.
Подбор регулятора начинают с определения максимального динамического
отклонения регулируемой величины в замкнутом контуре.
у1=Rд*К0*Хв
Rд – коэффициент, определяющий степень воздействия регулятора на объект.
13
у1<у1 доп.
и п
пи
пид
Требуемые оценки качества могут быть обеспечены!!!!!!!!!. При выборе П –
регулятора необходимо проверить у ст.< у ст.доп. Время регулирования tp<tp доп.
И
П
ПИ
ПИД
Затем приступаем к определению параметров настройки выбранного
регулятора. Существуют следующие методы:
1.Организованный поиск, позволяющий находить оптимальные настройки
регулятора непосредственно из эксперимента, проводимого на действующей АСР.
2.Расчетный метод заключается в составлении уравнения динамики системы и
его решений, относительно регулируемой величины при единичном ступенчатом
возмущении. Затем подставляя в полученное решение конкретные значения
параметров настройки регуляторов получают несколько переходных процессов из
которых выбирают оптимальный.
3. По эмпирическим формулам получают в результате матрицу регулирования
АСР.
Расчет настроек регулятора в одноконтурной АСР.
Под оптимальными подразумеваются настройки регулятора, обеспечивающие
заданную степень колебательности процесса (степень затухания).
m*=0.221 – заданная степень колебательности для пневматических регуляторов
m*=0.366 – для электрических.
  1  e 2m
A1  A2
A1
0.75  0.9%

А2
А1
Наиболее распространенными методами поиска являются:
1.Метод расширенных частотных характеристик (метод РЧХ);
2.Метод незатухающих колебаний (метод Циглера - Никольса).
Метод РЧХ.
14
Если разомкнутая система имеет степень колебательности не ниже заданной,
то замкнутая система будет обладать заданной степенью колебательности в том
случае, когда расширенная АФХ разомкнутой системы Wp(m, I,  ) проходит через
точку (1, I, 0).
Im
Re
W=0
1;(i0)
Wраз.с.(m, i  )=1
Wраз.с.( m, i  )=Wоб (m, i  )*R(m, i  ,S)
Wоб=Аоб(m,  ) е i ( m,  )
R(m, i  ,S)=Ap(m,  ,S) еi ( m,  ,S )
(1)
об
р
 Aоо (m,  ) Ap(m,  , S )  1;

об (m,  )  p(m,  , S )  0
Для заданных частотных характеристик объекта и выбор закона
регулирования при решении системы (2) находят вектор настроек регулятора S
обеспечивающнго заданную степень колебательности. Из 2-го уравнения системы
находят р - рабочую частоту, а из 1-го S-параметры настройки.
Для П-регулятора R(p)=-S1
об (m,  )    0  p
S1*  Aоо m, p 
1
Для И-регулятора R(p)=-S0/p
об (m,  ) 

 0  p
2
1
S 0*  р Aоо m, p 
Для регуляторов с двумя параметрами в плоскости настроек строят линию
равной степени колебательности.
пи
пд
Интервал частот берется из условия:

t
 

n
   T0 j
j 1
15
Разным точкам на линии равной степени колебательности соответствуют
различные переходные процессы. Наиболее оптимальный вид переходного процесса
соответствует точка 4. р(4)  1,2 max .
Исходя из этого для ПИ-регулятора
S1  Aоо (m, p)
1
R( p)   S1 
S0
p
1  m 2 cos 
S 0  Aоо (m, p )  1  m 2 m cos   sin  
1
  arctgm    об (m,  )
Для ПД-регулятора
R( p)   S1  S 2 P
S1  Aоо (m, p ) cos об (m, p )  mS 2
1
S 2  Aоо (m1, p ) sin об (m, p )
1
Для ПИД-регулятора с тремя парами настройки:
R( p)   S1 
S0
 S2p
p
Из системы 2 находят настройки S1 и S0 как функцию от S2. Задаваясь
различными значениями S2.строят линии равной степени колебательности S1 и S0.
S1  Aоо (m,  )
1
1  m 2 cos   2S 2mp
S 0  Aоо (m, p)  1  m 2 m cos   sin    S 2 2 (1  m 2 )
1
Метод незатухающих колебаний.
1. Расчет критической настройки пропорциональной составляющей S1
(S0=S2=0), при которых АСР будет находиться на границе устойчивости и
составляющей  критич.
2. Определение по Sкр и  кр оптимальных настроек. S 0* , S1* , S 2* - по Sкр.
Уравнение S1 и  кр находят из уравнений:
 ( )    0
Sкк  Аоб (кр )
1
Оптимальные настройки по следующим формулам:
S1  0,5S1кр - П-регулятор
S1*  0,45S1кр - ПИ-регулятор
S 0* / S1  0,19кр  S 0  0.086S1кркр - ПИД-регулятор
*
S1*  0,6S1кр
S 0* / S1*  0,32кр  S 0*  0.192S1кркр
S 2* / S1*  0,785 / кр  S 2*  0.471S1кр / кр
Определение настроек регулятора по эмпирическим формулам.
Регулятор
И
П
Граничный апериодический
1
Kp 
4,5Kоо
0,3
Kp 
Kоо( / T 0)
Тип переходного процесса
С 20%
С 40%
перерегулированием
перерегулированием
1
1
Kp 
Kp 
4,5Kоо
4,5Kоо
0,7
0,9
Kp 
Kp 
Kоо( / T 0)
Kоо( / T 0)
16
ПИ
0.6
Kоо( / T 0)
Ти=0,6Т0
0.93
Kp 
Kоо( / T 0)
Ти=2,4 
ТД=0,4 
Kp 
ПИД
0,7
Kоо( / T 0)
Ти=0,7Т0
1.2
Kp 
Kоо( / T 0)
Ти=2 
ТД=0,4 
Kp 
1
Kоо( / T 0)
Ти=Т0
1.4
Kp 
Kоо( / T 0)
Ти=1,3 
ТД=0,5 
Kp 
Лекция № 4
Тема: Расчет настроек регуляторов в многоконтурных АСР.
Удовлетворительное качество регулирования в простейшей одноконтурной
системе АСР с использованием стандартных законов регулирования можно
получить только при благоприятных динамических характеристиках объекта:

T0
 0 .2  1
При больших  или/и T 0 даже при оптимальных настройках регуляторов
одноконтурные АСР характеризуются большими динамическими ошибками, низкой
частотой регулирования и длительными переходными процессами. Для повышения
качества регулирования необходим переход от одноконтурных АСР к более
сложнымсистемам, использующим дополнительные (корректирующие) импульсы
по возмущениям или вспомогательным выходным координатам. Такие системы
имеют дополнительно динамические компенсаторы или стандартные регуляторы. В
зависимости от характера корректирующего импульса различают следующие
многоконтурные АСР:
1. Комбинированные – сочетающие обычный замкнутый контур с
дополнительным каналом воздействия, по которому через динамический
компенсатор вводится импульс по возмущению.
2. Каскадные – двухконтурные замкнутые АСР построенные на базе двух
стандартных регуляторов и использующие для регулирования кроме
основной выходной координаты дополнительный промежуточный выход.
3. С дополнительным импульсом по производной от промежуточной выходной
координаты после соответствующего преобразования превращения в
каскадную.
Комбинированные многоконтурные АСР.
Комбинированные системы регулирования применяются при автоматизации
объектов, подверженных действию существующих контролируемых возмущений.
Например, выпарная установка в которой одним из наиболее сильных возмущений
является расход питания.
17
пар
греющий пар
FE
2
QC
QC
1
TE
Упаренный раствор
1 – регулятор;
2 – компенсатор
Основная задача регулирования - стабилизация концентрации упаренного
раствора за счет изменения расхода греющего пара выполняется регулятором 1.
Кроме сигнала регулятора, на клапан, регулирующий подачу пара, через
динамический компенсатор 2 поступает корректирующий импульс по расходу
питания.
Применяют два способа построения комбинированных АСР.
1. Когда корректирующий импульс по возмущающему воздействию подается на
вход объекта управления.
a)
x Вх.
RK
WВ
W ор
y
ОУ
R
18
y зд
б)
x Вх.
WВ
RК
y
W ор
R
W ор
2.
3. Когда корректирующий импульс от компенсатора подается на вход
регулятора.
a)
xR х
RК
Wр
W ор
y
ОУ
R
y зд
б
xВ
y
WВ
R
RК
W ор
W ор
R
Основой расчета таких систем является принцип инвариантности: отклонение
выходной координаты системы от заданного значения должно быть тождественно
равным нулю при любых задающих или возмущающих воздействий.
Для выполнения принципа инвариантности необходимы два условия.
1. Идеальная компенсация всех возмущающих воздействий.
2. Идеальное воспроизведение сигнала задания. Достижение абсолютной
инвариантности в реальных системах регулирования практически
19
невозможно. Обычно,
ограничиваются частичной инвариантностью по
отношению к наиболее опасным возмущениям.
Условие инвариантности разомкнутой и комбинированной АСР.
Рассмотрим условие инвариантности разомкнутой системы.
Структурная схема
y(t)≡0
x Вх.
RК
W ор
ОУ
XK
WВ
y
Переходя к изображению по Лапласу величин Х В (р) и Y(p) сигналов x В (t) и y(t),
перепишем условие инвариантности с учетом передаточных функций объекта по
каналам возмущения W В (p) и регулирования W ор (p) и компенсатора R K (p).
Y(p)= X В (p)[W В (p)+ R K (p)∙W ор (p)]=0
При наличии возмущения X В (p) ≠0 условие инвариантности выполняется, если
W В (p)+ R K (p)∙W ор (p)=0,
Откуда R K (р)=-
WВ ( p )
Wор ( p)
Таким образом, для обеспечения инвариантности системы регулирования по
отношению к какому – либо возмущению необходимо установить динамический
компенсатор, передаточная функция которого равна отношению передаточных
функций объекта по каналам возмущения к передаточной функции по каналу
регулирования взятого с обратным знаком.
Условия инвариантности для комбинированной АСР. Для случая, когда
корректирующий импульс подается на вход регулятора, условие инвариантности
приводится к следующему соотношению:
W р.с = W В (p)+ R K (p)∙R(p) ∙W ор (p)
р.с – разомкнутая система.
Y(p)= X В (p)∙ W р.с (р)∙ W зс (p)=0
RK = -
WВ ( p)
R( p)  Wор ( р)
20
Таким образом, при подключении компенсатора на вход регулятора,
передаточная функция компенсатора, полученная из условия инвариантности, будет
зависеть, как от характеристик объекта, так и от регулятора.
Расчет комбинированной частично инвариантнойАСР включает следующие этапы:
1. Расчет настроек регулятора и определение рабочей частоты в одноконтурной
системе регулирования.
2. Вывод передаточной функции компенсатора из условия инвариантности и
анализ его реализуемости.
3. Выбор реального компенсатора и определение его параметров из условия
приближенной инвариантности.
Реальный компенсатор выбирают из числа наиболее легко реализуемых
динамических звеньев.
1. Апериодическое звено I-го порядка: W(p)=
К
A(w)=
T  w2  1
2
;
  arctgTw
2. Реально дифференцирующее звено: W(p)=
A(w)=
T1  w
T  w 1
2
2
;
K
;
Tp  1

T1 p
T2 p  1
П
 arctgT2 w
2
3. Интегрально - дифференцирующее звено: W(p)= K
T12 w 2  1
;
T22 w 2  1
A(w)= K
T1 p  1
T2 p  1
  arctgT1 w  arctgT2 w
Лекция № 5. Тема: Каскадные АСР
Каскадные АСР применяют для автоматизации объектов, обладающих большой
инерционностью по каналу регулирования, если можно выбрать менее
инерционную по отношению к наиболее опасным возмущениям промежуточную
координату и использовать для нее то же регулирующее воздействие, что и для
основного выхода объекта.
Хр1
W
W1
2
1
y1
1
R1
y

Хр
R
Рис. 1
21
y0
В этом случае в систему регулирования включают два регулятора – основной
(внешний) – 1 (на рисунке), служащий для стабилизации основного выхода объекта
y и вспомогательный (внутренний) – 2 (на рисунке), предназначен для
регулирования вспомогательной величины y 1 .
Сравнение одноконтурных и каскадных АСР показывает, что вследствие
более высокого быстродействия внутреннего контура в каскадной АСР повышается
качество переходного процесса,
особенно при компенсации возмущений
поступающих по каналу регулирования.
Пример:
Каскадная система регулирования температуры (2) жидкости на выходе из
теплообменника с корректирующим заданием регулирования расхода пара (1).
2
TC
Q в ых
1
пар
FC
FE
конденсат
Жидкость Q в х
Рис.2
При возмущении по давлению пара регулятор 1 изменяет степень открытия
регулирующего клапана таким образом, чтобы поддержать заданный расход. При
нарушении теплового баланса в аппарате вызванный, например, входной
температурой, расходом жидкости, приводящим к отклонению выходной
температуры от заданного значения регулируемой температуры (2) корректирует
задание регулятору расхода 1.
Основы расчета каскадных АСР
Существуют два метода расчета:
1. Начинают с основного регулятора, при этом предполагается, что его настройки не
зависят от настроек вспомогательного.
2. Начинают со вспомогательного регулятора, при этом предполагается, что
внешний регулятор отключен.
22
Wэ1
R1
Преобразуем структурную схему 2-х контурной каскадной АСР для определения
W(экв.) к виду
Xвх
Xзд
2Р
Xр2
1Р
Xр1
Wоб
X
2
W
X
2
р
Рис.3
2
Методика расчета
каскадной системы основана на предположении что возможен
Р
расчет первого контура регулирования независимо от других после определенных
об1
1
настроек регулятора этого контура переходят к определению настроек следующего
регулятора в контуре который входит регулятор с уже определенными настройками.
1. по амплитудно-фазовой характеристикой регулируемого объекта Wоб1(jw)
который промышленную регулируемую величину X1 с регулируемую
величину с регулирующем воздействием Xp окружающие параметры
настройки регулятора 1Р по методу расчета 1-контурной системы.
Для основного регулятора 2Р объект регулирования является системой из
собственного управления и вспомогательного регулятора 1Р. Поэтому для расчета
основного регулятора 2Р необходимо определить FA{ эквивалентного
регулируемого объекта Wоб2(jw). Передаточная функция такого эквивалентного
объекта находится следующим образом
23
X ( p )  Wоб * X p1 ( p )

X p1 ( p )  W p1 ( p ) * X p 2 ( p )  X 1 ( p )
(1)

( 2)
X 1 ( p )  Wоб ( р ) * X p1 ( p )
(3)
Подставляя (2) и (3) в (1) получаем

X ( p)  Wоб ( p)W p1 ( p) X p 2 ( p)  Wоб1 ( p) X p1 ( p)


X ( p)  W p1 ( p) Wоб ( p) X p 2 ( p)  Wоб ( р)Wоб1 ( р) X p1 ( p)



т.к.Wоб ( р) Х р1 ( р)  Х ( р)  Х р  W р1 ( р) Wоб ( р) Х р 2 ( р)  Wоб1 ( р) Х ( р) 
Wобэ2 
Wоб ( р)W p1 ( p)
Х ( р)

Х р 2 ( р) 1  Wоб1 ( р)W p1 ( p)
В том случае инерция регулируемого объекта по каналу вспомогательной величины
X1 значительно меньше инерционности основного регулируемой величины Х
(Т>>Т1) то быстродействие внешнего регулятора Р1 будет значительно выше
регулятора 2Р. В этом случае Wобэ2 для регулятора 2Р=
Х ( р )  Хр 2( р )
Х 1 ( р )  Wоб1 ( р ) Хр1( р )
Х ( р )  Wоб ( р ) Хр 2( р )
Wобэ2 ( р ) 
W ( р ) Хр1( р) Wоб ( р )
Х ( р)
 об

Хр 2( р ) Wоб1 ( р) Хр1( р) Wоб1 ( р )
Р  ( )
На входе вспомогательного регулятора 1Р воздействие 2 параллельное системе
контура основного регулятора 2Р с передаточной функцией =произведению
функции объекта и передаточной функции второго. Контур вспомогательного
регулирования 1Р с передаточной функцией Wоб1(р) т.к. передаточная функция
системы параллельно включенных звеньев = сумме передаточных функций звеньев,
то передаточная функция эквивалентного вспомогательного регулируемого объекта
Wобэ1 ( р)  Wоб1 ( р)  Wоб ( р)Wр2( р)
АСР с дополнительным импульсом по производству с промежуточной точки.
Такие системы применяются при автоматизации объектов в которых регулируемый
параметр распределение по пространственной координате. Как в аппаратах
пластинчатого или трубчатого типа.
Особенность таких объектов состоит в том, что основной регулируемой
координатой является технический параметр на выходе из аппарата возмущение
распространяется по всей длине аппарата а регулируемое воздействие подается на
его вход. При этом 1-контурная АСР не обеспечивает заданное качество
регулирования в следствии большой инерции канала регулирования. Подача на вход
различных дополнительных импульсов из промежуточной точки аппарата дает
оперативный сигнал и регулятор включается в работу прежде чем выходная
координата отклонится от
заданного значения. Чтобы регулирование без
статической ошибки необходимо чтобы установившемся режиме дополнительный
импульс исчезал, с этой целью вспомогательную величину пропускают через
24
реальное дифференцирующее звено так, что сигнал регулятора   y  y1  y0
в
y1  0
установившемся режиме y  y 0
Взаимосвязанные системы регулирования
Объекты с несколькими входами и выходами взаимно связанные между собой с
несколькими входами или выходами называются многосвязными.
Х1
Х2
Х3
Y1
Y2
Y3
Х1
Х2
Х3
Y1
Y2
Y3
Рис.1 а – односвязные объекты; б – многосвязные объекты
Динамика многосвязных объектов описывается системой дифференциальных уравнений, а
в преобразованном по Лапласу виде – матрицей передаточных функций.
W11
W21
W12
W22
W13
W23
... W1n
... W2n
W31
...
W32
W33
... W3n
...
Wm1 Wm2 Wm3 ... Wmn
где Wjn(p)=Xj+Yk – передаточная функция по каналу õ j  ók .
Существуют два подхода к автоматизации многосвязных объектов:
1. Несвязанное регулирование – регулирование отдельных координат с помощью
одноконтурных АСР.
2. Связанное регулирование – регулирование многоконтурных систем, в которых
внутренние перекрестные связи объекта компенсируются внешними динамическими
связями между отдельными контурами регулирования.
Схема объекта с двумя взаимосвязанными координатами представлена на рис.2.
W11
Х1
W21
Х2
Y1
W12
W22
Y2
Рис.2 Схема объекта с двумя взаимосвязанными координатами
Система несвязанного регулирования
25
Y10
R1
Хp1
W11
W21
Y1
W12
W22
Y2
Хp2
R2
Y20
Рис.3 Структурная схема несвязанного регулирования объекта со взаимосвязанными координатами
Для качественной оценки взаимного влияния контуров регулирования используются
комплексные коэффициенты связности:
W (i )  W21 (i )
kñâ(i )  12
W11 (i )  W22 (i )
Коэффициент связности вычисляют на нулевой частоте (т.е. в установившемся режиме) и
на рабочих частотах регуляторов  è  . В частности, при  =0 значение Ксв определяется
ð1
ð2
отношением коэффициентов усиления по перекрестным и основным каналам:
k k
K ñâ(0)  12 21 .
k11  k 22
Если на этих частотах K ñâ  0, объект можно рассматривать как односвязный; при K ñâ  1,
целесообразно поменять местами прямые и перекрестные каналы («перекрестное»
регулирование); при 0  K ñâ  1 расчет одноконтурных АСР необходимо вести по передаточным
функциям эквивалентных объектов.
Системы связанного регулирования. Автономные АСР
Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности.
Применительно к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности означает взаимную
независимость выходных координат у1 и у2 при работе двух замкнутых систем регулирования.
Условие автономности складывается из двух условий инвариантности: инвариантности
первого выхода у1 по отношению к сигналу второго регулятора хР2 и инвариантности второго хР1:
ó1 (t , õÐ2 )  0
ó2 (t, õÐ1 )  0
t, õ Ð1, õ Ð2.
Т.е. сигнал хР1 можно рассматривать как возмущение для у2, а сигнал хР2 – как возмущение
для у1. Тогда перекрестные каналы играют роль каналов возмущения (рис. 4).
y10
R1
Хр1
Х21
Х1
W11
R21
Хр1
W21
Рис.4 а)
26
y
1
Хр1
W12
Х2
Х12
y
R12
2
W22
y 20
Хр2
R2
Рис.4 б)
Хр1
R21
R1
Х21
Х1
Х12
Х2
y
1
W11
W21
W12
W22
2
y 20
Хр2
R12
y
R2
Рис.4 в)
Рис.4 Структурные схемы автономных АСР:
а) – компенсации воздействия от второго регулятора в первом контуре регулирования;
б) – компенсации воздействия от первого регулятора в втором контуре регулирования;
в) – автономной системы регулирования двух координат.
Для компенсации этих возмущений в систему регулирования вводят динамические устройства с
передаточными функциями R12(p) и R21(p), сигналы от которых поступают на соответствующие
каналы регулирования или на выходы регуляторов.
Передаточные функции имеют вид:
W ( p)
W ( p)
R12 ( p)   12
;
R21 ( p)   21
W22 ( p)
W11 ( p)
27
Лекция № 6. Тема: Регулирование основных технологических
параметров.
К основным технологическим параметрам относятся: расход, уровень,
давление, температура, рН и показатели качества (концентрация, плотность,
вязкость и т.д.)
Регулирование расхода.
Системы регулирования расхода используются практически во всех системах
автоматизации, АСР расхода заключается в стабилизации материального потока, а
для обеспечения заданного состава смеси применяют системы регулирования
соотношения расходов.
Системы регулирования расхода характеризуются двумя особенностями:
А) Малой инертностью самого объекта регулирования;
Б) Наличием высокочастотных составляющих в сигнале измерения, расходе,
обусловленных пульсациями давления в трубопроводе. Которые могут быть
вызваны работой насосов или компрессоров или случайными колебаниями расхода
при дросселировании потока через сужающее устройство.
Схема объекта регулирования:
G2
G1
1
2
L
1 – измеритель расхода; 2 – регулирующий клапан; L – несколько метров
Рис.1
Объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (1)
и регулирующим органом 2.
Динамика канала расход вещества через клапан – расход вещества через
расходомер описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым
запаздыванием. Время  составляет зам секущ для и несколько секущих для
жидкости. Значение Т0 несколько секунд.
Ввиду малой инертности объекта регулирования особые требования
предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР. В
частности, в промышленных условиях инертность цепей контроля и регулирования
расхода становится соизмеримой с инертностью объекта и ее следует учитывать при
расчете систем регулирования.
Структурная схема системы регулирования расхода:
28
1
e  p 0
Top  1
5
K2
T2 p  1
2
K1
3
e p
T 1 1
G0
R(p)
4
1 – объект;
2 – первичный преобразователь расхода;
4 – импульсные линии;
5 – исполнительное устройство.
Рис. 2
3 – регулятор;
Выбор закона регулирования
должно отвечать требуемым качеством
переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в
одноконтурной АСР применяется ПИ-регулятор. Если АСР расхода является
внутренним контуром в каскадной системе регулирования регулятор расхода может
осуществить П-закон регулирования. Применение ПД и ПИД законов в
промышленных регуляторах расхода не рекомендуется из-за наличия
высокочастотных помех в счетчике расхода, что приводит к неустойчивой работе
регулятора. В противном случае необходимо предварительное сглаживание сигнала
расхода.
В системах регулирования применяют один из трех способов изменения
расхода:
1) Дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый
на трубопроводе (клебен, шибер, ).
2) Изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии
(изменение числа оборотов двигателя насоса, угла поворота лопастей вентилятора).
3) Байпасирование, т.е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в
обводную линию.
Схемы регулирования расходов после центробежного (а) и поршневого (б) насосов.
4
1
2
1
FE
FE
FC
2
3
FC
3
4
29
1. Измерители расхода; 2. Регулирующий клапан; 3. Регулятор; 4. Насос.
Рис. 3
Схемы регулирования расхода сыпучих веществ.
А) Изменением степени открытия; Б)
Изменением
скорости
регулирующей
движения
1
1
4
2
5
2
PC
PC
3
3
1. Бункер; 2.
3. Регулятор;
Электродвигатель.
4.
Регулирующая
заслонка;5.
Рис. 4
В качестве датчика расхода может использоваться взвешивающее устройство
определяющее массу
Регулирование pH
Системы регулирования pH можно разделить на два типа, в зависимости от
требуемой точности регулирования:
1. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы ее колебаний
достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования,
поддерживающие рН в заданных пределах: pH í  pH  pH â .
2. Системы, обеспечивающие регулирование процессов, в которых требуется
точное поддержание рН на заданном значении. Для их регулирования
используют непрерывные ПИ- или ПИД-регуляторов.
Особенностью объектов при регулировании pH является нелинейность их
статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью pH от расходов
реагентов.
Кривая титрования, характеризующая зависимость рН pH
от расхода кислоты G1.
II
Титрование – это химический анализ,
I
состоящий в постепенном прибавлении одного
I
раствора с известной концентрации.
II
На кривой можно выделить три характерных
G1
Рис.1
Зависимость
величины
участка: I – относящийся к нейтральным средам,
рН от расхода реагента
близок к линейному и характеризуется очень большим
30
коэффициентом усиления, II и III участки относятся к сильно щелочным или
кислотным средам, обладают наибольшей кривизной.
На первом участке объект по своей статической характеристики приближается
к релейному элементу. Практически это означает, что при расчете линейной АСР
коэффициент усиления настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек
промышленных регуляторов. Так как собственно реакция нейтрализации проходит
практически мгновенно, динамические характеристики аппаратов определяются
процессом смещения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно
точно описываются дифференциальными уравнениями 1-го порядка с
запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее
обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться
инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.
Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные
системы. На рисунке 2 показан пример системы регулирования рН с двумя
регулирующими клапанами.
1
2
G
G
1
2

1
QC
3
õÐ0  
0
Рис.2 Функциональная схема
õÐÍ
õÐ0   õÐ0
õÐÂ
õÐ
Рис.3 Статические характеристики
клапанов
Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого
регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения выходного
сигнала регулятора õ ðí , õ ðâ (рис. 3 кривая 1). Клапан 2, служащий для точного
регулирования, рассчитан на меньшую пропускаемую способность и настроен таким
образом, что при õ ð  õ0ð   он полностью открыт, а при õð  õ0ð   - полностью
закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонении рН от рН 0, когда
õ0ð    õ ð  õ0ð  , степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и


регулирование ведется клапаном 2. Если õ ð  õ0ð   , клапан 2 остается в крайнем
положении, и регулирование осуществляется клапаном 1.
31
На втором и третьем участке статической характеристики (рис.1) ее линейная
аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне рН, и в реальных
условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может оказаться
недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает кусочнолинейная аппроксимация (рис.4), при которой линеаризованный объект имеет
переменный
ðÍ
ðÍ  k 2 G1  a2
ðÍ
ðÍ  k 0 G1
коэффициент
усиления:
ðÍ  k1G1  a1

ðÍ 0
ðÍ 0  
ðÍ
0
G1
G10
G1
Рис.4 Кусочно-линейная аппроксимация статической
характеристики объекта при регулировании рН
k  k 0 ïðè ðÍ  ðÍ 0   ;
k  k 0 ïðè ðÍ  ðÍ 0   ;
ðÍ - ðÍ 0   .
k  k 0 ïðè
На рис.5 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования ðÍ ,
включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент
усиления объекта.
G
1
рН
Объект
рН0
R0
()
()
R0
ðÍ  
sign (ðÍ   )
()
R0
Рис.5 Структурная схема системы регулирования рН с двумя
регуляторами
32
Регулирование параметров состава и качества.
В процессах технологии большую роль играет точное поддержание
качественных параметров продуктов (состава газовой смеси, концентрации того или
иного веществ в потоке и т. п.). Эти параметры характеризуются сложностью
измерения. В ряде случаев для измерения состава используют хроматографический
метод. При этом результат измерения бывает известен в дискретные моменты
времени, отстоящие друг от друга на продолжительность цикла работы
хроматографа. Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда единственным
способом измерения качества продукции является в той или иной степени
механизированный анализ проб.
Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным
запаздываниям и снижению динамической точности регулирования.
Чтобы
уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель связи
качества продукта с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта модель
может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточняют, сравнивая
рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа значе6ние
качественного параметра. Таким образом, одним из рациональных способов
регулирования качества является регулирование по косвенному вычисляемому
показателю с уточнением алгоритма его расчета по данным прямых анализов. В
промежутках между измерениями показатель качества продукта может быть
рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений.
Блок-схема регулирования параметра качества продукта показана на рис.6.
Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку
показателя качества ~õ (t ) по формуле
~
õ  F (~
y (t ))  F ((t  t ), y(t ), y(t
),.....),
1
2
i
i
i -1
у(t)
xp (t)
1
~
ó (t )
4
~
õ
2
ó(ti )
3
Рис.6 Блок-схема АСР параметра качества продукта:
1-объект; 2-анализатор качества; 3-вычислительное устройство; 4регулятор
в которой первое слагаемое отражает зависимость ~õ от непрерывно измеряемых
переменных процесса или величин, а второе – от выхода экстраполирующего
фильтра.
Для повышения точности регулирования состава и качества применяют
приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система
управления производит периодическую калибровку анализаторов состава,
корректируя их характеристики.
33
Регулирование соотношения расходов
Можно осуществить по следующим схемам
1)(а) при незаданной общей нагрузке
б) –то-же при использовании реле соотношения и обычного регулятора
1
G1
1
G1
FE
FE
2
G2
2
G2
FE
FE
4
FFC
3
А)
4
FC
FY
6
5
Б)
Рис.7
Расход G1 называется «ведущий». Может меняться произвольно, второе вещество
подается в определенном соотношении(  ) с первым, так что «ведомый» расход
равен
G1  G 2 . G реле соотношения устанавливает заданный коэффициент соотношения,
который подается в виде заданного регулятору 5, а он обеспечивает поддержание
ведомого расхода G2.
(в) при заданной общей нагрузке
2) при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента т.е. соотношение по
5
третьему
34
параметру
FC
FC
5
7
7
1
1
G1
G1
FE
FE
2
2
G2
G2
FE
FE
4
4
FFC
FFC
3
3
8
TC
FFY
9
1,2 измерители расхода , 3 регулятор соотношения , 4,7-регулирующие клапаны , 5регулятор расхода , 6- реле соотношения , 8- регулятор температуры , 9-устройство
ограничения предназначено для ограничения
Рис. 8
В случае изменения задания по расходу G1,автоматически изменяется и расход G2
---- Предназначено для ограничения  н     в
FFY
АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной
системе регулирования заданного технологического параметра ( t 0 C ) при этом
заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в
зависимости от этого параметра G1  G 2
Регулирование уровня
Уровень является косвенным показателем гидростатического давления в
аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального
баланса, когда приток равен стоку и скорость изменения уровня равна 0. В более
сложных процессах сопровождающихся изменением фазового состояния вещества,
уровень является не только характеристикой гидравлических, но и тепловых и
массообменных процессов. Такие процессы протекают в испарителях,
конденсаторах , выпарных установках и т. д.
В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида
S
dL
 Gв х  Gв ых  Gоб
dt
S-площадь горизонтального сечения аппарата
Gвх  Gвых -расходы жидкости на входе аппарата и на выходе из него
35
G об -кол-во жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате за единицу
времени
В зависимости от точности поддержания уровня применяют два способа
регулирования:
1) позиционное регулирование-уровень поддерживается в заданных достаточно
широких пределах LH  L  LB такие системы устанавливают на сборниках жидкости
или промежуточных емкостях.
LC
6
к запасной
емкости
4
5
3
2
LE
1
1-насос, 2-аппарат, 3-сигнализатор уровня, 4-регулятор уровня, 5,6-регулирующие
клапаны
Рис.9
При достижении предельно допустимого значения уровня происходит
автоматическое переключение тока на запасные емкости.
2) непрерывное регулирование при котором обеспечивается стабилизация
уровня на заданном значении L  L0
Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования
уровня в теплообменных аппаратах в которых уровень жидкости существенно
влияет на тепловые процессы. Например в паровых теплообменниках уровень
конденсата определяет практическую поверхность теплообмена. В таких АСР
используют ПИ ..ра.
При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют
одним из 3-х способов: а)регулирование на «притоке»
б)регулирование на «стоке»
в)регулирование соотношения расходов жидкости на входе и выходе из
аппарата с коррекцией по уровню
36
FF
2
LC
LC
2
1
LC
FE
FFC
Рис. 10
в случае когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми
превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя
пар
2
3
1
LC
Греющий пар
(или хладагента).
1-испаритель, 2-регулятор, 3-регулирующие клапаны
Рис. 11
в таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (ZB давлением ),
поэтому выбор способа регулирования уровня должен выполняться с учетом
остальных контуров регулирования
Регулирование теплообменников смешения
37
Для создания необходимого температурного режима в химических аппаратах
используют передачу энергии в результате смешения двух веществ с разным
теплосодержанием.
Во многих задачах регулирования состава или температуры в резервуаре с
мешалкой при определении передаточных функций принимают перемешивание
идеальным. Тогда объект описывается дифференциальным уравнением первого
порядка с постоянной времени, равной времени пребывания в резервуаре.
Однако на практике отмечается запаздывание, по истечении которого
изменение концентрации или температуры питания происходит на выходе из
резервуара. Это запаздывание (называемое запаздыванием смешения) зависит от
размеров резервуара, вязкости жидкости, конструкции и скорости вращения
мешалки, определяющих интенсивность перемешивания.
Экспериментальные исследования показывают, что в первом приближении
запаздывание смешения можно принять равным (2—5)n 1 для плоской лопастной
мешалки и (1,1 – 2)n 1 — для турбины (где n — число оборотов мешалки в
единицу времени).
Рассмотрим статические характеристики процесса смешения, в аппарате
непрерывного типа, в котором смешиваются два потока с расходами G1 и G2 ,
температурами 1 и  2 и удельными теплоемкостями c p1 и c p 2 .
а) принципиальная схема
G2 ,  2 , с р 2
G1 , 1 , с р1
G1  G2 , , с р
б) структурная схема
1
G2
2
z

G1
Рис.12
Найдем статические характеристики объекта по каналу регулирования
38
G1 - 1 и каналам возмущения G2 -  2 , 1 -  2 (см. рис.б).
Уравнение теплового баланса:
G1 · 10 · c p1 + G2 ·  2 · c p 2 =( G1 + G2 )·  с р ,
(1)
10 - заданная температура потока.
где с р =( G1 · c p1 + G2 · c p 2 )/( G1 + G2 ).
(2)
Отсюда

G1  10  c p1
G1  c p1  G2  c p 2

G2   2  c p 2
(3)
G1  c p1  G2  c p 2
Как видно из уравнения (3), характерной особенностью теплообменников
смешения является нелинейность статических характеристик по каналам,
связывающим расход любого вещества с температурой смеси  , и линейность
характеристик по температурным каналам 1 -  и  2 -  .
При условии малых отклонений координат объекта от их заданных значений
можно провести линеаризацию зависимости (3) и найти приближенно
коэффициенты усиления объекта по каждому каналу.
Обозначим заданные значения входных и выходных координат через
0
G1 , G20 , 20 , и разложим функцию (3) в ряд Тейлора в малой окрестности G10 , G20 , 20 .
0
  
 
 G1  G10  
    
 G1 
 G2
0


0

 
 G2  G20  

  2


0

  2   20 ,



G20  c p1  c p 2  (10   20 )
  
 
где 
2
G10  c p1  G20  c p 2
 G1 
0

 

 G2

G 0  c  c  ( 20  10 )

  1 p1 p 2
2
G10  c p1  G20  c p 2

0

(4)

G20  c p 2
  

  0
G1  c p1  G20  c p 2
  2 
0


Переходя к отклонениям y     0 , х р  G1  G10 , хВ1  G2  G20 , х В 2   2   20 ,
получим уравнение статической характеристики в виде:
y  k p  x p  k1  x B1  k 2  x B 2 ,
0
  
 ,
где k p  

G
 1
 
k1  
 G2
0

 
 , k 2  

  2



0
Анализ зависимостей (4) показывает, что даже при обычных возмущениях,
наблюдаемых на практике, ошибка в результате линеаризации может оказаться
существенной. Например, при увеличении расхода G2 на 30% по сравнению с
39
заданным коэффициент усиления k p может измениться на 5—25%, k1 — на 25—
40% от расчетных, в зависимости от соотношения расходов G1 и G2 . Стабилизация
отношения
G1
  0 позволяет уменьшить влияние этой нелинейности, так как (из
G2
уравнения (3) ):

10  с р1
G
с р1  2  c p 2
G1

 20  c p 2
G1
 c p1  c p 2
G2

10  c p1
c p1 
1
0

 c p2
 20  c p 2
 0  c p1  c p 2
и при отсутствии других возмущений, кроме G2, будет обеспечиваться постоянство
выходной температуры.
Наличие других источников возмущения, кроме G2, потребует введения
коррекции  0 .
Рассмотрим несколько вариантов систем автоматизации теплообменников
смешения и проведем их сравнительный анализ по качеству процессов
регулирования.
Вариант 1.
G2
G1
Т
С
1

G1
2
z

G1
Объект
0
Регулят
ор
Рис. 13
Задача стабилизации выходной температуры смеси  решается применением
одноконтурной замкнутой системы регулирования, в которой регулирующим
воздействием является расход G1 . Использование регулятора с ПИ- или ПИД
законом регулирования гарантирует поддержание заданного значения  в
установившемся режиме, однако качество переходного процесса может оказаться
неудовлетворительным при большой инерционности канала регулирования и
сильных возмущениях.
40
Вариант 2.
G1
F
E
F
F
C
G2
F
E

Регулято
р
G
0
R
z
G1
FF
C
Р
ис
.5
б)

Объек
т
Т
С
F
E
а
G2
Регулятор
2
0
2
Z
R

G1
0
Регулятор
1
R
б
Рис.4 Функциональная (а) и структурная (б) схемы каскадной
АСР температуры в теплообменнике смешения: 1-регулятор
температуры; 2 – регулятор соотношения расходов
Рис. 14
Вариант 2 включает систему регулирования соотношения расходов G1 и G2. Это
разомкнутая система регулирования, способная обеспечить
инвариантность
41
регулируемой температуры смеси  к возмущениям по расходу G2 , однако при
наличии любого другого возмущения  не будет равна заданной.
Вариант 3 (рис. 4) отличается от предыдущего введением коррекции
коэффициента соотношения в зависимости от значения температуры второго потока
 2 , так что корректирующее устройство 2 является компенсатором возмущения по
 2 . Таким образом, данная система регулирования может обеспечивать
независимость выходной температуры от двух основных возмущений - G2 и  2 .
Однако при наличие других возмущений (например,
изменение теплопотерь в окружающею среду) температура будет отклоняться
от заданной.
Варианты 4 и 5 являются разновидностями комбинированных АСР, в которых
обеспечивается компенсация основных возмущений и вводится обратная связь по
регулируемой координате.
Вариант 4 – система регулирования соотношения расходов G1 и G2 с
коррекцией коэффициента соотношения по выходам температуры смеси  (рис. 5),
т.е. двухкаскадная АСР. Основным (внешним) регулятором является регулятор
температуры 1, а вспомогательным (внутренним) – регулятор соотношения 2,
осуществляющий компенсацию возмущения по расходу G2.
2
1
ТС
ТY
ТE
G2, 2
G1
ТЕ
Rк

Рис.G52 а)
2
Z

G1
Объект
Регулятор
R
0
0
42
1 – регулятор температуры; 2 – компенсатор.
Рис.14 Функциональная (а) и структурная (б) схемы комбинированной АСР
температуры в теплообменнике смешения:
Лекция №7 Тема: Системы двухпозиционного регулирования
Такие системы имеют в своем составе 2-х позиционный регулятор, выходная
величина которого может принимать 2 значения, соответственно минимальные Xmin
и максимальные Xmax величины, регулирующего воздействия на объект. Такие
системы относятся к нелинейным. На рис.1 представлена структурная схема
нелинейной АСР.

х
у
Wоу
Рис. 1 Нелинейная АСР
Если объект регулирования в динамическом отношении представлении
интегрирующим звеном с передаточной функцией:
W
Ê îá
,
Òð
то при поступлении на вход объекта регулирующего воздействия Хрег=В
регулируемая величина будет изменяться по линейному закону:
Õ  Ê îá  Â  t
Если на вход объекта будет подано воздействия Хрег=-В, то регулируемая величина
будет изменяться в обратную сторону:
Õ   Ê îá  Â  t
При этом в замкнутой АСР при релейной статической характеристики
регулятора (рис.3) зона не чувствительности 2а в установившемся режиме
возникают автоколебания (рис.4).
Хр
Если объект представляет
Â
W=
Ê îá
Òð
  arctgT
2a
Â

t
Рис.3 Статическая
характеристик арегулятора
Рис.2 Переходная характеристика объекта
управления
апериодическое звено 1-го порядка с передаточной функцией
43
Wîá 
t1
t2
Ê
Òð  1
T=t1+t2
a
t
-a
Â
t
Â
то при поступлении на вход регулирующего воздействия Хрег=-В, регулируемая
величина будет изменяться по экспоненциальному закону :

Ò
Õ  Ê îá  Â  (1  å )
Характер автоколебаний примет вид:
t1
a
t
-a
Â
t
Â
t2
В общем случае регулятор может оказывать в одну сторону воздействие В1, а
в другую В2, причем В1  В2.
Ê îá  å ð
Если объект управления имеет запаздывание, т.е. W 
.
Òð
a
t
-a
44

a
 ð
å
t
-a
Уменьшение зоны не чувствительности 2а приводит к уменьшению периода
колебаний Т, и увеличению числа переключений регулятора. Уменьшение числа
переключений возможно за счет количества энергий коммутируемых регулятором
при этом следует иметь ввиду, что регулируемое воздействие регулятора должно
полностью компенсировать самые большие возможные возмущающие воздействия
на объект. Увеличение постоянной времени объекта при прочих равных условиях
увеличивает период колебаний и уменьшает частоту переключений регулятора.
Уменьшение диапазона колебаний регулируемой величины при двухпозиционном
регулировании возможно за счет количества энергии коммутируемой регулятором в
результате чего снижается скорость изменения регулируемой величины при
переключениях регулятора. Улучшение качества двухпозиционных регуляторов
путем уменьшения количества коммутируемой регулятором энергии называется
методом неполного притока и оттока.
2
1
При полностью закрытом вентиле 1 в обходной линии система осуществляет
неполный отток энергии, при закрытии регулируется соленоидным вентилем 2.
Второй метод – метод прерываний (двухпозиционное импульсное
регулирование). Осуществляется за счет кратковременных принудительных
переключений регулятора в противоположное состояние. При этом скорость
увеличения и уменьшения значений регулируемой величины значительно ниже и
диапазон колебаний.
45
Зд1
Д
ГИ
Где Д – двухпозиционный датчик;
ГИ – генератор импульсов.
Хр
Зд2
Лекция № 8 Тема : Автоматизированные системы управления (АСУ)
Общие вопросы управления
АСУ - сложная управляющая система, в которой совместно использованы
возможности персо нала управления, современной информационно-вычислительной
техники, математических методов оптимального управления.
Управляющая часть этих систем представляет собой совокупность людей
(персонала управления) и вычислительных машин. На основе рационального
распределения между ними разнообразных управляющих функций стремятся
наилучшим образом использовать возможности тех и других, достигнуть лучшего
эффекта управляющей части в целом. Если в системах автоматического управления
или регулирования все функции по управлению осуществляются без
непосредственного участия человека с помощью специальных технических
устройств (регуляторов), а в традиционных системах производственного или
административного (организационного) управления они возлагаются на персонал,
то решение задач управления совместно персоналом и техническими устройствами
(ЭВМ) - первая характерная черта автоматизированных систем.
Подобное построение управляющей части системы связано с переходом от
автоматизации управления отдельными параметрами ТП, агрегата или даже
связанного управления рядом параметров процесса в одном агрегате к управлению
значительно более сложными объектами – производственными комплексами,
участками производства, предприятиями и т.п.
Такое построение управляющей части связано с переходом от решения
сравнительно простых задач стабилизации заданных параметров технологических
режимов работы агрегатов или поиска допустимых планов работы
производственных комплексов к решению значительно более трудных задач
оптимизации работы агрегатов, производственных комплексов, сложных социальноэкономических систем.
При современном уровне развития техники управления взаимодействие
персонала и технических устройств в АСУ оказывается наиболее плодотворным, т.к.
управление только персоналом недостаточно эффективно, управление только ЭВМ
невозможно. Конкретное распределение в АСУ функций между ЭВМ и персоналом
управления, степень автоматизации функций управления определяются тем, в какой
46
мере можно получить в ЭВМ всю необходимую для управления информацию,
подготовить математическое описание управляемого процесса и эффективные
алгоритмы выбора оптимальных управляющих воздействий. Распределение
функций зависит от экономической целесообразности их автоматического
выполнения, надежности имеющихся технических средств в АСУ. Этим же
определяются и функции вычислительных машин в системе.
Функции ЭВМ в АСУ
1) В простейшем случае вычислительная машина предназначена лишь для
организации сбора, накопления и первичной переработки информации. Информация
обрабатывается и представляется персоналу управления (оператору, диспетчеру и
др.) в виде, удобном для восприятия. На основе этой информации персонал
принимает и реализует решения по управлению производством. Решения оператора
реализуются без участия ЭВМ, хотя в отдельных случаях ЭВМ используется в
качестве средства накопления команд управления, выработанных персоналом, и
передачи этих команд непосредственно на рабочие места. Такой режим
использования ЭВМ в автоматизированных системах управления называют
информационно-вычислительным.
2) Вычислительные машины могут быть использованы в системах для
подготовки рекомендаций (советов) по управлению. В этом случае, кроме
выполнения информационных функций, вычислительные машины решают также
различные задачи планирования и управления и выдают персоналу рекомендуемые
решения. Персонал имеет также возможность вводить в машину свои варианты
решений по управлению, как для их оценки, так и для обязательного выполнения.
Такой режим использования ЭВМ в АСУ называется управляющим.
3) Характерная особенность использования ЭВМ в АСУ в настоящее время решение задач управления на научной основе. Широкое использование
современных ЭВМ в управляющей части АСУ позволяет искать, подготавливать и
рекомендовать не только допустимые, но и наилучшие в некотором заданном
смысле управления. Мы их называем оптимальными. Используя ЭВМ, мы получаем
возможность искать подобное оптимальное управление достаточно строго,
формализованными (математическими) методами.
В качестве основных элементов научного управления в АСУ отметим такие,
как:
- системный анализ объекта и задач управления, основанный на
многостороннем рассмотрении сложных, взаимосвязанных явлений;
- постановка задачи управления, как задачи оптимизации по некоторому
критерию оценки эффективности функционирования системы;
- построение структуры решения общей задачи управления и структуры
системы путем достаточно строгой декомпозиции (разложения) общей
47
задачи высокой размерности на ряд взаимосвязанных локальных и
координирующих задач;
- использование экономико-математических моделей объекта управления
для прогноза поведения и выбора оптимальных управлений.
Для создания автоматизированных систем управления необходимо решение,
по крайней мере, 3 групп задач:
1) описания механизма функционирования данной системы, критериев и
методов управления ею;
2) проектирования технической структуры и технических средств
получения, передачи и переработки информации;
3) организация производства в условиях автоматизации управления.
При разработке современной АСУ можно выделить следующие ее этапы:
исследование и описание объекта, постановку задачи управления;
- синтез алгоритмической и функциональной структур системы;
- создание информационной и технической структур;
- подготовку математического обеспечения (моделей, алгоритмов,
программ);
- синтез системы в целом (ее системная спецификация).
История создания АСУП
История развития автоматизации производства включает в себя несколько
этапов.
1. Локальные САР, в которых каждый автоматический регулятор отвечал за
функционирование своего контура регулирования. ("Локальные" [лат. Lokalis] местный, свойственный данному месту, не выходящий за определенные пределы).
Локальные системы управления технологическим оборудованием и процессами
предназначены для контроля и управления отдельными, не связанными между
собой объектами и в иерархической системе управления образуют нижний уровень.
Эти системы одноконтурные и однофакторные, степень автоматизации - частичная.
Локальные системы управления выполняют следующие функции: автоматический
контроль, учет, защиту, блокировку и логическое управление. Согласованная работа
локальных контуров, число которых в ТП может быть большим, проводиться
оперативным персоналом.
2. Следующий этап развития - автоматизированные системы управления ТП.
АСУТП – это человеко-машинный комплекс, предназначенный для решения
различных задач управления технологическими процессами.
Локальные САР входят в АСУТП, как составная часть согласование контуров
регулирования в АСУТП проводит также оперативный персонал, но с
использованием ЭВМ.
3. АСУП - автоматизированные системы управления производством
(предприятием).
48
Управление производством - это информационный процесс, обеспечивающий
выполнение какого-либо материального процесса и достижение им определенных
целей.
Сравнительный анализ АСУТП и АСУП
Управление производством и ТП имеет ряд отличий:
1) Производством управляют люди, в процессе управления они воздействуют
на людей. Технологическим процессом также управляют люди, но они
воздействуют на "вещи" – средства производства и предметы труда. Средством
труда в современном производстве является машина, человек получает данные о
работе машины – ее состоянии, о наличии и качестве сырья, материалов и готовой
продукции, сравнивает их с плановыми и нормативными данными, принимает
решение и передает его машине, изменяя режим ее работы. В системе «человек –
машина» - человек – субъект управления; машина - объект управления.
2) Продукт труда в управлении ТП - продукт производства или услуга.
Продукт труда в управлении производством – информация.
3) При управлении ТП осуществляется координация составляющих
производственного
процесса,
отдельных
технологических
операций
технологического процесса, а не людей, как при управлении производством. Это
третье отличие.
4) Управление осуществляется циклично, длительность циклов зависит от
уровня управления. Самые короткие циклы используются при управлении ТП. В
самом коротком цикле управления производством имеется несколько циклов
управления ТП.
5) Только в управлении ТП можно создать автоматические системы с
замкнутой обратной связью. На других уровнях управление осуществляется
людьми, и автоматическое управление невозможно.
6) Основной объект управления в АСУТП - технологический процесс,
оборудование, в АСУП – объединение производств, производство или его части.
Автоматизация управления производством (предприятием) основана на
применении современных методов и средств автоматической обработки
информации для учета, анализа, планирования и принятия управленческих решений.
В системах автоматического управления все функции по управлению
осуществляются без непосредственного участия человека с помощью
в) АПК
б) АТК
а) САР
г) Интегрированная
АСУТ _
ЛР
Управляющ
Сигналы Отчеты
I=<Xд, Yд>
АСУ
П
ие сигналы
к датчикам
U = φ(I,
Задан
ЗаданАСУПОтчеты
Z*)
ие
ие
Отчеты
ОР
ТОУ
Производстве
_ персонал
нный
I
U
ТОУ
АСУТ
П
Задан
ие
I
_
АСУП Отчеты
Задани
е
Производствен
ный_ персонал
I
U
49
ТОУ
Рис. 1
регуляторов, в АСУП и АСУТП решения по управлению осуществляются
совместно персоналом и ТСА (включая ЭВМ).
ТОУ – средства производства, технологические процессы, используемые в
производстве материальных услуг;
АТК – автоматизированный технологический комплекс;
АПК – автоматизированный производственный комплекс.
Функции АСУП: контроль, учет, анализ, планирование.
Объединение нескольких АСУТП между собой и АСУП, осуществляемое с
целью повышения общей технической и экономической эффективности, приводит к
ВНЕШНЯЯ СРЕДА
Отраслевая
АСУ
АСУП
предприятием
верхний уровень
управления
производством
АСУП
производством
средний уровень
управления
производством
АСУ
агрегата
ТП
ТП
АСУ
агрегата
ТП
ТП
ТП
АСУ
агрегата
ТП
ТП
ТП
нижний уровень
управления
производством
ТП
объект
управления
появлению интегрированных АСУ, которые строятся по иерархическому принципу.
Рис. 2
На верхней ступени стоит отраслевая АСУ (ОАСУ), с которой
последовательно связаны АСУ на предприятии, АСУ в цехах и на участках, а на
нижней ступени находятся АСУТП.
50
Функциональная структура взаимодействия АСУТП и АСУП в
интегральной АСУ
Рассмотрим функциональную структуру взаимодействия АСУП с АСУТП.
АСУП
з
о
о
9
о
Блок
связи
8
и
з
Оперативный
персонал
Вторичные
приборы и
автоматические
регуляторы
и
7
з
з
з
4
Датчики
и
Преобразователи
3
2
_
Х
6
и
и
и
УВК
ЛР
НЦУ
ИМ+РО
5
_
1
ТОУ
РУ, ДУ
Y
Рис. 3
Функции всех элементов АСУТП.
1. ТОУ - источник информации в АСУТП в виде набора технологических
параметров X=(X1,X2,…,Xm) и потребитель информации в виде регулирующих
воздействий Y=(Y1,Y2,…,Yn). В качестве ТОУ может быть вся технологическая
цепочка, отдельные ее узлы или агрегаты.
51
И - информация; з - задание (управление); О - отчет; РУ - ручное управление;
ЛР - локальное регулирование; НЦУ - непосредственное цифровое управление.
2. Датчики (первичные измерительные преобразователи, чувствительные
элементы) - средства получения информации в АСУ.
3. Преобразователи - это средства преобразования и передачи информации в
АСУТП.
4. ВП и АР – в совокупности составляют средства локального регулирования.
ВП служат источником визуальной информации для ОП.
5. ИМ+РО - это средства реализации регулирующих воздействий на ТОУ.
6. УВК - средства вычислительной техники, специализированная ЭВМ,
предназначенная для вычислений и для реализации функций АСУТП.
7. Оперативный персонал - технологи, специалисты по автоматизации,
операторы ЭВМ, программисты, электронщики - непосредственно отвечающие за
оперативное управление процессом.
8. Блок связи- средства телефонной, телевизионной, компьютерной,
организационной связи АСУТП с вышестоящей АСУП.
9. АСУП - автоматизированная система управления производством
(предприятием).
Выполняет функции: маркетинга, календарного планирования, поставок
сырья, сбыта готовой продукции, финансирования и т.д.
Объектом управления для АСУ завода является трудовой процесс
непосредственного производства товарной продукции и вся административнохозяйственная деятельность предприятия, неизбежно сопровождающая основной
процесс производства продукции.
Для современной черной металлургии характерна высокая степень
концентрации производства: расширение предприятий и выпуск основной части
всей продукции своей отрасли сравнительно небольшим числом крупных заводов.
Стремление к концентрации производства вызвано экономическими показателями
крупных предприятий.
При увеличении объема производства на 1%, себестоимость продукции
снижается на 0,05%. Однако, полное использование всех возможностей
высококонцентрированного, крупного производства сдерживается возрастающими
при этом трудностями управления. Огромный ассортимент и объем выпускаемой
продукции, большое число и разнообразие ТП, агрегатов и режимов их работы,
высокий уровень возмущений - все это требует высокого уровня организации
системы управления предприятием, т.е. способности оперативно принимать
множество хорошо обоснованных решений, каждое из которых основано на анализе
разнообразной информации, прогнозе и оценке большого числа возможных
вариантов режимов работы для значительного числа агрегатов.
Режимы работы АСУТП, информационные потоки в ИАСУ
Режимы работы АСУТП: 1) автоматизированные;
2) автоматические.
Автоматизированные режимы можно разделить на:
52
1. Режим ручного управления (РУ), когда оперативный персонал (ОП)
непосредственно воздействует на регулирующие органы (РО), управляя процессом.
Этот режим предусматривается в обязательном порядке в любой АСУТП и
применяется в случае технических отказов средств автоматизации и при
ВП
Х
1
2
И
И
3
ОП
И
4
7
РУ
У
5
1
выполнении функции АСУТП запуск и останов оборудования.
В этом режиме имеем разновидность АСУТП без вычислительного комплекса.
Режим дистанционного управления.
АСУТП с ВК, выполняющим информационные функции. Эта разновидность
АСУТП включает в себя локальные системы автоматического контроля,
регулирования, объединенные центральным пультом управления, на котором
работает оператор. В соответствии с технологической инструкцией оператор
осуществляет
дистанционное
управление
отдельными
исполнительными
механизмами или изменяет задания регуляторам в локальных системах
регулирования. ВК выполняет информационные функции централизованного
1
И
Х
И
2
3
6
ИМ
ДУ
И
7
У
5
з
1
ЛР
4
АР
контроля, вычисление некоторых комплексных показателей, а также контроля
работы и состояния оборудования. ВК дает оператору дополнительную
информацию, которую он использует при управлении процессом.
3. Режим " совета "- кроме выполнения информационных функции УВК сам
решает задачу управления, т.е. вычисляет управляющие воздействия и выдаёт
рекомендации - «советы» - оперативному персоналу. Персонал анализирует эти
советы, вносит при необходимости какие-то изменения и выдает задания
автоматическим регулятором с пульта управления вручную.
При реализации режима " совета " имеем разновидность: советующая АСУТП.
4. Режим "диалога" – ОП проводит оптимизацию технологического процесса,
активно используя при этом ЭВМ. Для этого разрабатывается специальная
интерактивная (диалоговая) программа обмена данными между УВК и персоналом
управления.
ОП
1
Х
И
2
Советы
И
3
6
И
7
53
4
И
з
АР
ИМ
ЛР
4
АР
5
У
1
Диалоговая АСУТП описывается данным графом.
Х
И
1
ВП
И
2
3
ОП
И
4
ВП
Х
1
2
6
ЛР
4
ИМ
2
У
1
Диалог
АР
6
И
3
АР
7
И
УВК
И
з
ИМ
ЛР
4
У
5
косвенное
1
управление
7
Автоматические режимы работы АСУТП делятся на:
1. Режим супервизорного управления (косвенного).
Когда УВК решает задачу оптимального управления и через автоматические
задатчики устанавливает задания для локальных регуляторов. АСУТП с ВК,
выполняющим функции центрального управляющего устройства.
2. Режим непосредственного цифрового управления (НЦУ) – УВК решает
задачу оптимизации и берет на себя функцию многоканального цифрового
1
Х
И
2
И
3
УВК
НЦУ
6
ИМ
5
У
1
7
регулятора.
В этом режиме исчезает такой элемент КТС, как ВП и АР, вместе с ними и
громоздкие щитовые помещения, перечисленные выше.
Наиболее распространенным режимом работы АСУТП на практике является
режим «совета». В АСУТП в данный момент времени могут реализоваться все
режимы одновременно по различным локальным каналам управления.
Лекция 9. Тема: Постановка задачи автоматизированного управления
Общее представление об управлении производственным процессом
В современных условиях для эффективного автоматизированного управления
производством необходимо хорошо ориентироваться в математических методах
анализа организационно-управленческих проблем и иметь четкое представление о
той роли, которую эти методы играют в производственной сфере деятельности
предприятия.
54
Проблему управления производственным процессом в самом общем виде
можно сформулировать следующим образом: управление производственным
процессом заключается в планировании и контроле применительно к входным,
промежуточным и выходным потокам определенных материальных компонентов на
том или ином промышленном предприятии с целью получения оптимальной
прибыли в пределах возможностей и в соответствии с общими тенденциями
развития предприятия.
Таким образом, для автоматизированного управления производственным
процессом требуется способ, с помощью которого можно было бы получать
непрерывные оценки потребительского спроса, финансовых возможностей,
ресурсов рабочей силы и т.д. Эти оценки должны учитывать не только текущие
значения упомянутых выше параметров, но и их возможные изменения в будущем.
Структура производственного процесса
Структуру производственного процесса можно изобразить в виде блок схемы :
производственнотехнический блок
процесс переработки
руководящие
указания
руководящие
указания
информация
производственнотехнический блок
процесс переработки
поток
информация
производственнотехнический блок
процесс переработки
поток
производственнотехнический блок
процесс переработки
Рис. 1 Структура производственного процесса в представлении вход-выход
На входе мы имеем сырье, используемое в процессе получения конечного
продукта. Термин сырье здесь применяется в обобщенном смысле. Во входном
блоке могут присутствовать не только сырьевые материалы (уголь, железная руда, и
т.д.), но и готовые изделия (детали машин, полупроводниковые элементы и т.д.),
являющиеся компонентами более сложных изделий, выпускаемых на предприятии.
В ходе производства за счет использования комплексного ресурса
(технических средств, времени, финансов, квалифицированного персонала,
искусства управления и т.д.) происходит превращение сырья в готовую продукцию,
фигурирующую на выходе.
Управление производством предполагает прогнозирование с целью
определения оптимальных объемов выпускаемой продукции, уточнение
потребностей в сырье, долгосрочное планирование производства, а разработку
детализированных планов реализации текущих процедур и операций во всех узлах
производственного контура.
55
Степень сложности процесса превращения исходных материалов в готовую
продукцию в зависимости от структуры предприятия изменяется в широких
пределах. Потоки материальных компонентов, участвующих в технологических
процессах могут носить как непрерывный, так и дискретный характер.
Выходной продукт может появиться в результате сборки, комплектации и т.д.
многих разнотипных элементов, изготавливаемых в разных узлах производственнотехнологического контура.
В процессе переработки исходного сырья в конечный продукт выполняется
различное число технологических процедур.
Однако, независимо от характера этих процедур, производственный процесс
может протекать лишь при условии, что этим процессом управляют в той или иной
степени.
Функции управления производством. Количественный анализ
Структура функций, связанных с управлением производством, включает
следующие основные элементы:
1) прогнозирование спроса на выпускаемую продукцию, позволяющие
представить прогнозируемые величины, как функции времени;
2) слежение за фактическим спросом, сравнение наблюдаемого спроса с
запрогнозированным и (в случае необходимости) уточнение
составленных ранее прогнозов;
3) определение экономически обоснованных объемов заказов при закупке
готовой продукции, полуфабрикатов или сырья и экономически
оправданных объемов производимой продукции;
4) определение экономически обоснованной системы управления
запасами;
5) определение производственных потребностей и уровней запасов в
конкретные моменты времени;
6) слежение за уровнем запасов, сравнение текущих объемов запасов с
запланированными и (в случае необходимости) пересмотр планов
выпуска продукции;
7) составление
детализированных
календарных
планов
выпуска
продукции, оформление производственных заданий, распределение
нагрузок в рамках имеющегося машинно-агрегатного парка и т.д.
8) сетевое планирование работ с использованием сетевых методов (сетевой
метод PERT [Program Evaluation and Review Technikque] – «Программа
развития и обзора»; сетевой метод «дерево» и т.д.)
Внедрение в деятельность промышленного предприятия электронновычислительной техники и автоматизированных систем обработки информации
создают условия для централизации управления производственным процессом и
использование в процессе выполнения перечисленных выше функций управления
производства методов количественного анализа.
Этот переход к решению задач организационного управления заключается в
следующем.
56
Мы начинаем с рассмотрения реальной ситуации и пытаемся отобразить ее на
некоторую математическую модель. Такого рода модели в большинстве случаев
представляют собой упрощенные описания реальных ситуаций.
Результат анализа выбранной нами модели формируется в виде управляющего
решения. Поскольку речь идет о решении практических задач организационного
управления, в каждом конкретном случае на основе модели должны формироваться
решения, поддающиеся проверке на оптимальность.
Подтверждение того, что получаемые решения отвечают предъявленным к
ним требованиям, может быть достигнуто либо в результате надлежащим образом
построенного статистического анализа, либо путем регистрации явного улучшения
качества функционирования системы управления предприятия (производства) при
практической реализации этого решения.
Внедрение АСУП на предприятии оправдано, если облегчается
организационная деятельность или позволяет добиться положительного
Реальная
ситуация
Управляющее
решение
Структуризация
Модели
Оптимизация
Формирование
управляющего
воздействия
Рис. 2 Подход к решению задач организованного управления с помощью
исследования операций
экономического эффекта. Это невозможно, если исходные данные не
обладают достаточной точностью и достоверностью. Не исключено также, что при
использовании в управлении производством современных методов оптимизации, мы
лишь повысим оперативность управления и стабильность производственного
процесса.
Структурно процесс количественного анализа на основе метода исследований
операций можно представить в виде следующей схемы.
Лекция 10 Тема: Промышленная сеть для поддержки АСУ
В современных системах автоматического управления промышленная связь
играет исключительно важную роль. Она обеспечивает взаимодействие
управляющих систем между собой, а также соединяет их с информационными
системами более высокого уровня.
Принципы построения промышленной сети
57
Существует два основных принципа построения структуры промышленной
сети
для
АСУ
ТП.
Первый – централизованная структура, в которой центром системы является
мощное вычислительное устройство, от которого «звездой» подключаются
оконечные устройства управления и исполнительные механизмы. Данный принцип
построения является наиболее удобным в смысле администрирования, поскольку
есть единая точка контроля над всей системой. Однако такая структура ненадежна:
выход из строя «центра звезды» вызывает простой всей сети. Эту проблему можно
решить за счет создания «дублирующего центра», но такой вариант приводит к
значительному удорожанию сети в целом. Еще один минус – отсутствие
возможности расширения функционала системы. При необходимости добавления
большого количества исполнительных механизмов приходится менять центральное
устройство,
что
само
по
себе
нерационально
и
убыточно.
Второй принцип – распределенная структура, состоящая из множества узлов,
между которыми осуществляется обмен данными по цифровым каналам
промышленной сети. Такой вариант построения является, конечно, более дорогим с
точки зрения затрат на администрирование, зато более надежным – при выходе из
строя одного из узлов система продолжает функционировать. Распределенная
структура более гибкая и позволяет наращивать систему без существенного
изменения действующей ее части. Кроме того, она дает возможность расположить
узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства
ввода-вывода, максимально близко к оконечным устройствам (датчикам и
исполнительным механизмам), за счет чего сокращается длина сигнальных кабелей.
Это позволяет не только экономить на сигнальных кабельных линиях, но и избежать
необходимости строить дополнительные громоздкие конструкции для прокладки
кабеля.
Для передачи данных в промышленной сети существует множество протоколов
и интерфейсов, например Modbus, Ethernet, CAN, LON, PROFIBUS и др. Протоколы
58
разработаны с учетом особенностей производства и технических систем,
обеспечивают надежные соединения и высокую точность управления.
Оборудование, для которого они предназначены, должно устойчиво работать при
высоких температурах или влажности, в условиях сильной вибрации или химически
активной среды.
Структура АСУ ТП
Промышленные АСУ ТП строятся по принципу трехуровневой системы.
Нижний уровень (полевой) – состоит из датчиков и исполнительных механизмов,
устанавливаемых на технологических объектах. Для связи с датчиками
используются:
- AS-интерфейс – для организации связи с датчиками и исполнительными
устройствами.
Позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы к системе
управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного
кабеля, посредством которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств,
так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы;
- HART-протокол – основан на методе передачи данных с помощью частотной
модуляции, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый токовый.
Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при использовании
соответствующей фильтрации не искажает основной аналоговый сигнал 4–20 мА.
Средний уровень (контроллерный) – состоит из промышленных контроллеров,
силовой, сигнализационной автоматики и прочих устройств аналого-цифрового,
цифро-аналового, дискретного, импульсного и другого преобразования, а также
устройств для сопряжения с верхним уровнем (шлюзов). Для передачи данных на
этом уровне могут применяться интерфейсы и протоколы PROFIBUS, Modbus, СAN,
LON
и
Ethernet.
Рассмотрим протокол PROFIBUS с точки зрения применения на среднем уровне
АСУ ТП.
PROFIBUS – семейство промышленных сетей, обеспечивающих комплексное
решение
коммуникационных
проблем
предприятия.
Под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но
совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.
Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и предназначался для работы на так
называемом цеховом уровне. Основное применение – передача больших объемов
данных.
Протокол PROFIBUS-DP используется для высокоскоростного обмена данными
между программируемым логическим контроллером и распределенными
устройствами связи с объектом. Физическая среда передачи – экранированная витая
пара стандарта RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сети и варьируется
от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на дистанции до 100 м.
Взаимодействие узлов в сети определяется моделью Master – Slave («ведущий –
ведомый»).
59
PROFIBUS-PA – это сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных
которого соответствует стандарту IEC 61158-2. Может применяться для построения
сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры,
расположенные
непосредственно
во
взрывоопасной
зоне.
Верхний уровень (информационно-вычислительный) – состоит из оборудования
для визуализации технологических процессов. Для передачи данных на этом
уровне используются технологии Industrial Ethernet.
Промышленные сети верхнего уровня
Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами
серверами и операторскими рабочими станциями. Иногда в состав таких сетей
входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных
приложений,
инженерная
станция
и
т.д.
Но
это
уже
опции.
Какие сети используются на верхнем уровне? В отличие от стандартов полевых
шин, здесь особого разнообразия нет. Фактически, большинство сетей верхнего
уровня, применяемых в современных АСУ ТП, базируется на стандарте Ethernet
(IEEE 802.3) или на его более быстрых вариантах Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
При этом, как правило, используется полный стек коммуникационных протоколов
TCP/IP. В этом плане сети операторского уровня очень похожи на обычные ЛВС,
применяемые в офисных приложениях. Использование единого сетевого
стандарта позволяет упростить интеграцию АСУ ТП в общую сеть предприятия,
что становится особенно ощутимым при реализации и развертывании систем
верхнего уровня типа MES (Мanufacturing Еxecution System) .Однако у
промышленных сетей верхнего уровня есть своя специфика, обусловленная
условиями промышленного применения.
Типичными
требованиями,предъявляемыми
к
таким
сетям,являются:
1. Большая пропускная способность и скорость передачи данных. Объем трафика напрямую
зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых технологических
параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений
и
т.д.
В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности здесь нет: строго говоря,
неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому – 100 мс или 700
мс (естественно, это не важно, пока находится в разумных пределах). Главное,
чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за определенное
время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы
и операторские станции (клиенты). Это связано с тем, что на операторской станции
технологическая информация обновляется в среднем раз в секунду, причем
передаваемых технологических параметров может быть несколько тысяч. Но и тут
нет жестких временных ограничений: оператор не заметит, если информация будет
обновляться, скажем, каждые полторы секунды вместо положенной одной. В то же
время если контроллер (с циклом сканирования в 100 мс) столкнется с 500милисекундной задержкой поступления новых данных от датчика, это может
привести
к
некорректной
отработке
алгоритмов
управления.
2. Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования
60
коммуникационного оборудования и линий связи по схеме 2*N так, что в случае
выхода из строя коммутатора или обрыва канала, система управления способна в
кратчайшие сроки (не более 1-3 с) локализовать место отказа, выполнить
автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные
маршруты.
3.
Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям
эксплуатации. Под этим подразумеваются такие немаловажные технические
меры, как: защита сетевого оборудования от пыли и влаги; расширенный
температурный диапазон эксплуатации; увеличенный цикл жизни; возможность
удобного монтажа на DIN-рейку; низковольтное питание с возможностью
резервирования; прочные и износостойкие разъемы и коннекторы. По
функционалу промышленное сетевое оборудование практически не отличается от
офисных аналогов, однако, ввиду специального исполнения, стоит несколько
дороже.
Промышленная сеть Industrial Ethernet обеспечивает эффективную связь
верхнего уровня и базируется на международных стандартах (IEEE 802.3/IEEE
802.3u).
На Западе коммуникационная технология построения единой информационной
сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные
механизмы, определяется одним термином fieldbus (полевая шина, или
промышленная сеть).
Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств
(например, RS485) и, во-вторых, программно-логический протокол их
взаимодействия.
Корнем термина fieldbus является слово field - область, сфера, место
приложения. Промышленные сети (fieldbuses) применяются на уровне устройств,
обслуживающих реальный процесс производства и переработки материалов.
Выход в системы представления (визуализации) данных, коммерческие и
административные системы организуется, как упоминалось выше, через
стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP.
Переход на fieldbus-технологию обещает улучшение качества, снижение затрат
и повышение эффективности конечной системы. Эти обещания основаны на том
факте, что принимаемая или передаваемая информация кодируется в цифровом
виде. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и
диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и
обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает
эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению.
Серьезный ценовой выигрыш получается за счет проводников и монтажных
работ: аналоговая технология связи требует, чтобы каждое устройство имело
собственный набор проводов и собственную точку соединения. Fieldbus устраняет
эту необходимость, так как использует всего одну витую пару проводников для
объединения всех активных (контроллеры) и пассивных (датчики) устройств.
В число узлов сети входят компьютеры, выполняющие функции NC и SCADA.
Это могут быть обычные персональные компьютеры и специализированные
программируемые логические контроллеры, называемые промышленными
61
компьютерами. Специфика ПЛК - наличие нескольких аналоговых и цифровых
портов,
встроенный
интерпретатор
специализированного
языка,
детерминированные задержки при обработке сигналов, требующих
незамедлительного реагирования. Однако ПЛК, в отличие от IBM PC,
рассчитаны на решение ограниченного круга задач в силу специализированности
программного обеспечения.
В целом промышленные компьютеры имеют следующие особенности: 1)
работа в режиме реального времени (для промышленных персональных
компьютеров разработаны такие ОС реального времени, как OS-9, QNX, VRTX и
др.); 2) конструкция, приспособленная для работы ЭВМ в цеховых условиях
(повышенные вибрации, электромагнитные помехи, запыленность, перепады
температур,
иногда
взрывоопасность);
3)
возможность
встраивания
дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, сопрягающей
аппаратуры, что помимо специальных конструкторских решений обеспечивается
использованием стандартных шин и увеличением числа плат расширения; 4)
автоматический перезапуск компьютера в случае "зависания" программы; 5)
повышенные требования к надежности функционирования. В значительной мере
специализация промышленных компьютеров определяется программным
обеспечением. Конструктивно промышленный компьютер представляет собой
корзину (крейт) с несколькими гнездами (слотами) для встраиваемых плат.
Возможно использование мостов между крейтами. В качестве стандартных шин в
настоящее время преимущественно используются шины VME-bus (Versabus
Module Europe-bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect).
Программная связь с аппаратурой нижнего уровня (датчиками,
исполнительными устройствами) происходит через драйверы. Межпрограммные
связи реализуются через интерфейсы, подобные OLE. Для упрощения создания
систем разработан стандарт OPC (OLE for Process Control). Обычными для
промышленных сетей являются предельные расстояния между узлами (датчиками,
исполнительными устройствми и контроллерами) в сотни метров, размеры
сообщений - до одного килобайта (в сжатой форме). Опрос датчиков
периодический. Важное требование к промышленной сети - обеспечение работы в
реальном масштабе времени, поэтому для АСУТП сети типа Ethernet не подходят,
поскольку в них не гарантируется ограничение задержек сверху
Существуют три основных режима обмена данными, эффективность
использования которых зависит от конкретной задачи.
● Режим «Ведущий ведомый». В этом простейшем режиме один из узлов
ПС является ведущим устройст вом, которое последовательно опр шивает
подчиненные узлы. В зависимости от содержания запроса в домый узел либо
выполняет полученную команду, либо передает ведущему текущие данные с
подключенных оконечных
устройств.
Типичным примером ЦПС,
построенной на таком принципе, являются сети PROFIBUS. Как правило, роли
ведущего и ведомого закрепляются жестко и не меняются
в процессе
функционирования сети.
● Режим «Клиент сервер». Данный режим имеет много общего с
предыдущим и используется в системах с гибким распределением функций. Узел
клиент запрашивает данные, а узел сервер их предоставляет. При этом клиент
62
может запрашивать несколько узлов, а сервер – иметь несколько клиентов. Также
функции клиента и сервера могут совмещаться на одном узле. Примером может
послужить ПС Foundation Fieldbus.
● Режим «Подписка». В этом режиме узел, нуждающийся в регулярном
поступлении какой либо информации, подписывается на её получение от другого
узла, после чего получает регулярные рассылки данных без дополнительных
запросов. Режим имеет два варианта: в первом случае данные передаются
циклически с определенным интервалом
вне зависимости от динамики
информации; во втором случае данные передаются только в случае их изменения.
Данный режим также используется в сетях Foundation Fieldbus.
Одним из основных критериев оценки систем АСУ ТП является
надежность.
● По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит
аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и
гарантирует доставку информации благодаря встроенным в протоколы ПС
механизмам контрольных сумм, квитирования и повтора искаженных пакетов
данных.
● Надежность функционирования систем АСУ ТП на базе ПС
с
интеллектуальными узлами значительно выше, чем в традиционных структурах.
● Важной проблемой является защита ПС от повреждения кабельной сети,
особенно в том случае, если его топология имеет вид шины. Для критически
важных технологических участков эта задача должна решаться дублированием
линий связи или наличием нескольких
альтернативных путей передачи
информации.
Системы АСУ ТП редко делаются раз и навсегда; как правило, их состав и
структура подвержены коррекции в си лу изменяющихся требований
производства. Поэтому важными критериями оценки закладываемых в проект
решений являются гибкость и модифицируемость
комплекса. По этим
показателям
ПС,
несомненно, намного превосходит
традиционную
централизованную схему: добавление или удаление отдельных точек ввода
вывода и даже целых узлов требует минимальных монтажных работ и может
произ водиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация
системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает
минимальное время. Другая проблема, связанная с развитием системы вопрос
совместимости протоколов, заложенных в интеллектуальные оконечные
устройства, стоял очень остро. Сейчас практически все широко
распространенные решения в этой сфере стандартизованы, что поз воляет
разработчикам АСУ ТП выбирать оборудование из широкого спектра
поставщиков, оптимизируя стоимость проекта и его технологическую структуру.
Пример промышленной сети - Profibus, скорость 12 Мбод, пакеты до 247 байт,
расстояния до 1,5 км. Имеет выход в сеть АСУП, в качестве которой чаще всего
используется сеть Ethernet. Наряду с Profibus, используют и другие протоколы,
например, популярен протокол CAN. На физическом уровне в Fieldbus часто
используют интерфейс RS-485 - витая пара, длина сегмента до 1,2 км, на сегменте
может быть до 32 узлов
CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, DeviceNET, SDS, ASI, HART,
63
ControlNet и несколько десятков протоколов еще - это сегодняшняя ситуация на
рынке промышленных сетей. Каждая из них имеет свои особенности и области
применения. На этом фоне отсутствует единый международный стандарт
промышленной сети. Это приводит к тому, что каждая технология развивается
самостоятельно в состоянии неизбежной конкуренции. Ясно, что со временем
определится ведущая, например, пятерка технологий, вокруг которой будет
сосредоточено основное внимание пользователей и бизнес независимых
производителей. Таким центром кристаллизации де-факто можно считать сегодня
европейский стандарт EN50170. Со стороны Европейского комитета по
стандартизации CENELEC поступили предложения по расширению EN50170 за
счет промышленных сетей Foundation Fieldbus и ControlNet. Если такое
предложение будет принято, EN50170 превратится реально в международный
стандарт, каждая отдельная часть которого будет определять отдельную fieldbusтехнологию.
Лекция №11 Тема: Протоколы промышленных сетей
1. ASI
Первые продукты, работающие по технологии ASI, вышли на рынок в 1993
году. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: IFM,
Limberg, Siemens, Pepperl+Fuchs, Allen-Bradley и др.
Основная задача этой сети - связать в единую информационную структуру
устройства самого нижнего уровня автоматизируемого процесса (датчики и
разнообразные исполнительные механизмы) с системой контроллеров. Это
следует из названия: Actuator Sensor Interface (ASI).
ASI-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии передавать не
только данные, но и запитывать датчики. Здесь используется принцип
последовательной передачи на базовой частоте. Информационный сигнал
модулируется на питающую частоту.
64
Позоляет полностью исключить из АСУ ТП аналоговые линии связи,
кроссировочные шкафы и другое вспомогательное оборудование. Максимальное
время цикла опроса составляет 5 10 мс, то есть сравнимо с циклом отработки
программы в контроллере. Благодаря этому сети на базе AS интерфейса
активно
применяются в распределенных АСУ ТП реального времени,
например
в
системах
управления
конвейерными
производствами.Первоначально AS интерфейс был ориентирован на работу
исключительно с бинарными данными, поэтому длина информационной посылки
рекордно малая — всего 4 бита. Тем не менее новая редакция спецификации AS
интерфейса позволяет подключать к сети аналоговые датчики и поворотные
шифраторы.
Максимальное количество
узлов равно 62, максимальная длина с
использованием повторителей — 300 м. Данные и питающее напряжение
передаются по одной паре проводов.
В качестве физической среды используется специальный неэкранированный
двухпроводный кабель с трапециевидным профилем. Этот кабель позволяет
подключать датчики, устанавливаемые на подвижных частях механизмов.
Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево с циклом
опроса 31 узла за 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла - 4 бит.
2. CAN
История этого протокола началась в начале 80-х годов, когда технология
создания и эксплуатации современных транспортных средств потребовала
установки на них большого числа датчиков, увязываемых в единую
информационную сеть с замыканием на бортовом компьютере автомобиля.
Компания BOSCH (Германия) разработала для этой цели протокол CAN (Control
Area Network), получивший статус международного стандарта ISO11898. По
своим характеристикам он удовлетворяет не только требованиям задач реального
времени, но и реализует высокую степень обнаружения и исправления ошибочных
телеграмм.
CANbus - это последовательная шина с децентрализованным доступом на
основе модели CSMA/CM. Возможные коллизии, связанные с одновременным
запросом шины, разрешаются на основе приоритетности передаваемых
сообщений.
История развития этого протокола - яркий пример того, как не доведенная до
конца работа по стандартизации приводит к появлению целого семейства
65
несовместимых друг с другом протоколов. Дело в том, что развитие CAN
остановилось на определении только первых двух уровней OSI-модели.
Появилось большое число разработок 7-го уровня для CAN, оформленных как
самостоятельные протокольные решения: SDS (Honeywell), DeviceNET (Allen
Bradley), CAL (CiA-ассоциация), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron), Kingdom
(Kvaser), MiCAN (RMI) и несколько других.
Количество
узлов ПС, работающих на основе CAN, исчисляется десятками
миллионов.
Практически
у
каждого
крупного
про
изводителя
микроконтроллеров
есть изделие
с
CAN интерфейсом.
Основными
достоинствами, определившими высокую популярность этого протоко ла у
разработчиков встраиваемых и промышленных систем, являются высокая
скорость (до 1 Мбит/с), метод доступа CSMA/СA (не путать с CSMA/CD,
реализованным в Ethernet), возможность иметь в сети не сколько ведущих
устройств, надежная система обнаружения и исправления ошибок. CSMA/СA
сочетает нные одновременно. Благодаря этому гарантируется доставка сообщения,
то есть система является детерминированной. «Гарантией качества»
CAN
являются
автомобили «Мерседес», электроника которых работает именно по
этому протоколу. Технические характеристики (для DeviceNet): максимальное
расстояние 500 м, максимальное количество узлов 64, длина информационной
посылки 8 байт, используемый кабель Belden 3082A.
3. HART
Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный
фирмой Rosemount Inc. в середине 80-х годов, реализует известный стандарт BELL
202 FSK (Frequency Shift Keying), основанный на 4 20мА-технологии
HART протокол используется в двух режимах подключения.
В большинстве случаев применяется соединение «точка точка» (рис. 1 а), то
есть
непосредственное
соединение
прибора
низовой
автоматики
(преобразователя информации, датчика, исполнительного устройства и т.п.) и
не более чем двух ведущих устройств.
.
66
Схема взаимоотношений между узлами сети основана на принципе
MASTER/SLAVE. В HART-сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов
(обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от поддержания
циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой
контроля/отображения данных. Стандартная топология - "звезда", но возможна и
шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима:
1) асинхронный: по схеме "MASTER-запрос\SLAVE-ответ" (один цикл
укладывается в 500 мс);
2) синхронный: пассивные узлы непрерывно передают свои данные MASTERузлу (время обновления данных в MASTER-узле за 250-300 мс).
В многоточечном режиме (рис. 1 б) до 15 ведомых устройств (slave) могут
соединяться параллельно двухпровод ной линией с теми же двумя ведущими
устройствами (master). При этом по линии осуществляется только цифровая связь.
Сигнал постоянного тока 4 мА обеспечивает вспомогательное питание ведомых
приборов по сигнальным линиям. Типовые
HART компоненты и схема их
подключения показаны на рис. 2
За одну посылку один узел может передать другому до 4 технологических
переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных,
описывающих его состояние. Контроль корректности передаваемых данных основан
на получении подтверждения.
Стандарт для передачи аналоговых сигналов значениями тока в диапазоне 4
20 мА известен уже несколько десятков лет и широко используется при со здании
систем АСУ ТП, в химической индустрии, теплоэнергетике, в пище вой и многих
других отраслях промыш ленности. Традиционно для измерения различных
физических величин (дав ления, объема, температуры и т.д.) предлагается
множество приборов с токовым выходом 4 20 мА. Достоинством данного стандарта
является простота его реализации, массовое ис пользование в приборах и
возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на относительно
большие расстояния. Однако при создании нового поколения интеллектуальных
приборов и датчиков потребовалось наряду с передачей аналоговой информации
передавать и цифровые данные, соответствующие их новым расширен ным
функциональным возможностям. В середине 80 х годов американская компания
Rosemount разработала протокол
Highway Addressable Remote Transducer
67
(HART). В начале 90 х годов протокол был дополнен и стал открытым
коммуникационным
стандартом . Вначале он был нормирован только для
применения в режиме соединения «точка точка», затем появилась возможность
применять протокол в режиме многоточечного соединения («mul tidrop»).
HART протокол основан на методе передачи данных с помощью частотной
модуляции (Frequency Shift Keying, FSK), в соответствии с широко
распространенным коммуникационным стандартом
Bell 202. Цифровая
информация передаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логичес кий
0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 3). Частотно
модулированный сигнал
является
двухполярным и при
применении
соответствующей фильтрации не влияет на основной аналоговый сигна л 4 20
мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с. Каждый
HART компонент требует для цифровой передачи соответствующего модема.
Благодаря
наличию двух ведущих
устройств каждое из них может быть
готово к передаче через 270 мс (время
ожидания). Цикл обновления данных
повторяется 2 3 раза в секунду в режиме
запрос/ответ и 3 4 раза в секунду в
пакетном
режиме.
Несмотря
на
относительно большую длительность цикла, в большинстве случаев он
является достаточным для управления непрерывными процессами.
Важнейшим условием для передачи HART сигналов является то, что
нагрузка в общей цепи коммуникационного канала должна быть в
пределах 230...1100 Ом. В противном случае возникает
несоответствие
допустимым качестве первичного
ведущего устройства, как правило,
используется устройство связи с объектом (УСО) или программируемый
логический контроллер, а в качестве вторичного — портативный HART
терминал или отладочный ПК с соответствующим модемом. При этом
аналоговый
токовый сигнал передается
от ведомого прибора к
соответствующему ведущему устройству. Цифровые сигналы могут приниматься
или передаваться как от ведущего, так и от ведомого устройства. Так как
цифровой сигнал наложен на аналоговый, процесс передачи аналогового
сигнала происходит без прерывания.
68
4. PROFIBUS
При построении многоуровневых систем автоматизации, как правило, стоят
задачи организации информационного обмена между уровнями. В одном случае
необходим обмен комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного
протокола обмена (уровень датчиков). В третьем требуется работа в опасных
участках производства (переработка газа, химическое производство). Для всех
этих случаев PROFIBUS имеет решение. Сегодня, говоря о PROFIBUS,
необходимо иметь ввиду, что под этим общим названием понимается
совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и
PROFIBUS-PA. Все три варианта протокола используют общий канальный
уровень (уровень 2 OSI-модели).
Протокол PROFIBUS-DP (рис. 2), был спроектирован для организации
быстрого канала связи с датчиковым уровнем. В основе алгоритма работы лежит
модель циклического опроса каналов. Скорость обмена прямо зависит от длины
сетевого сегмента и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 метров до 12
Мбит/с на
дистанции до 100 метров.
Кроме этого, существует набор
ациклических функций для конфигурирования, диагностики и поддержки
сигналов. В DP-протоколе существуют три типа устройств:
мастер Класса-2 (DPM2): может выполнять функции конфигурирования и
диагностики устройств сети;
мастер Класса-1 (DPM1): это программируемые контроллеры (PLC, PC), в
оперативном режиме выполняющие функции ведущего узла в сети;
ведомые устройства (DP Slave): это пассивные устройства с
аналоговым/дискретным вводом/выводом.
DP-протокол позволяет организовать мономастерную (один DPM1 и до 126 DPSlaves) и многомастерную конфигурацию (несколько DPM1 и DP-Slaves).
Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы
на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень
функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. FMS-протокол
допускает гибридную архитектуру взаимодействия узлов, основанную на таких
понятиях, как виртуальное устройство сети, объектный словарь устройства
(переменная, массив, запись, область памяти, событие и др.), логическая
адресация и т.д.
Протокол PROFIBUS-PA - это расширение DP-протокола в части технологии
передачи, основанной не на RS485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для
организации технологии передачи во взрывоопасных средах. Он может
использоваться в качестве замены старой 4-20мА-технологии связи. Для
коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно
использоваться и для информационного обмена, и для запитывания устройств.
На одном физическом канале (RS485 или оптоволоконном) одновременно
могут работать устройства PROFIBUS всех трех типов. Рабочая скорость передачи
может быть выбрана в диапазоне 9,6-12000Ккбит/с.
PROFIBUS - это маркерная шина, в которой все циклы строго
69
регламентированы по времени и организована продуманная система тайм-аутов.
Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии в сети. Настройка всех
основных временных параметров идет по сценарию пользователя.
Исследования, проведенные независимыми западными маркетинговыми
компаниями, свидетельствуют о том, что PROFIBUS покрывает свыше 40% рынка
открытых промышленных сетей в Германии и Европе. Идет стремительный
процесс завоевания и американского рынка. Но самое главное то, что сегодня
PROFIBUS рассматривается как кандидат на обретение статуса международного
стандарта IEC (МЭК).
Каналы связи
В зависимости от требований, предъявляемых к сети PROFIBUS, для передачи
данных могут использоваться различные виды каналов связи.
-Электрические каналы связи выполняются экранированной витой парой. Для
прокладки линий связи -может использоваться множество кабелей для различных
условий эксплуатации. Большинство из этих кабелей поддерживает технологию
быстрого
соединения
(Fast
Connect).
-Оптические каналы связи PROFIBUS могут выполняться стеклянными или
пластиковыми оптоволоконными кабелями, предназначенными для различных
условий
эксплуатации.
-Применение модуля ILM позволяет осуществлять передачу информации по
инфракрасным
каналам
на
расстояние
до
15м.
-Комбинированные системы.
В составе одной сети PROFIBUS может
использоваться комбинированное сочетание различных каналов связи.
Лекция №12 Тема: Протоколы промышленных сетей 2
FOUNDATION FIELDBUS
Эта сеть родилась в результате сотрудничества двух ведущих американских
ассоциаций - ISP и WorldFIP, которые до 1993 года пытались самостоятельно
создать универсальную промышленную сеть. В 1994 году появилась ассоциация
Fieldbus Foundation, продвигающая на рынке и обеспечивающая поддержку сети
Foundation Filedbus (FF). После многолетних безуспешных попыток разработать
универсальную промышленную сеть, предпринятых ведущими комитетами по
стандартизации IEC и ISA, ассоциация Fieldbus Foundation пришла к
синтезированному решению с использованием наработок из разных источников
под общим названием Foundation Fieldbus.
Итак, FF сегодня - это:
физический уровень H1 FF (медленный), обеспечивающий рабочую скорость
31,25Ккбит/с.
Эта
реализация
физического
уровня
основана
на
модифицированной версии стандарта IEC 1158-2 и предназначена для
объединения устройств, функционирующих во взрывоопасных газовых средах;
-физический уровень H2 FF (быстрый), обеспечивающий рабочую скорость до
70
1КМбит/с и также основанный на стандарте IEC 1158-2;
-сетевой уровень, использующий элементы проекта IEC/ISA SP50
универсальной промышленной сети;
-прикладной уровень, включающий элементы из проекта ISP/Profibus.
Основная область применения этой сети - самый нижний уровень
распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств, работающих
во взрывоопасных средах и использующих сеть как для информационного
обмена, так и для собственной запитки.
У протоколов FF и Profibus-PA много общего и именно поэтому со стороны
европейской ассоциации по стандартизации CENELEC сделано предложение о
включении FF в стандарт EuroNorm 50170 в качестве самостоятельной его части.
PROFIBUS PA и FOUNDATION™ fieldbus имеют ряд общих характеристик :
• обе системы удовлетворяют требованиям спецификаций физического уровня
H1 IEC/ISA, которые определяют среду передачи данных;
• обе системы искробезопасны и способны по одним и тем же проводам
передавать как данные, так и электро питание для подключенных к сети
устройств, что позволяет использовать их во взрывоопасных зонах;
• обе системы поддерживаются между народными организациями,
объединяющими как конечных пользователей, так и поставщиков;
• обе системы могут быть развернуты в качестве цифровой замены аналого вых
каналов 4 20 мА с использовани ем тех же самых, уже существующих линий
связи;
• обе системы поддерживают работу в многоточечном режиме, благодаря чему
снижаются затраты на монтаж и обслуживание кабельного хозяйсва.
Однако между сетевыми системами имеются и существенные различия.
На прикладном уровне PROFIBUS PA вместо FMS использует расширения DP,
что приводит к ограничению возможностей по удаленному конфгурированию, а
также по чтению и записи.
Хотя обе системы способны управлять событиями в самой сети, применяемая в
PROFIBUS PA коммуникационная модель «главный подчиненный»(ведущийведомый), а также отсутствие протокола системного администрирования делают
PROFIBUS PA
неудовлетворительным
решением для управления
распределенными процессами.
FOUNDATION™ fieldbus, напротив, создавалась не только для организации
обмена цифровой информацией между управляющим устройством сети и
устройствами нижнего уровня (полевого оборудования), но и для распределенного
71
управления, вклю чая поддержку функции автоматического конфигурирования
(plug and play), что существенно расширяет границы совместимости оборудования.
FOUNDATION™ fieldbus при передаче данных одновременно поддерживает
маркерный доступ и
обмен по расписанию. Прикладной уровень
в
FOUNDATION™ fieldbus обеспечивает поддержку квитированного взаимодействия
между клиентом и сервером, что может использоваться для изменения оператором
значений уставок, удаленной загрузки и настройки параметров конфигурации.
Кроме того, поддерживается рассылка оповещений об аварийных событиях и их
подверждений. Это основано на том же прикладном уровне, который используется
в PROFIBUS FMS.
В PROFIBUS PA один ведущий узел использует протокол DP для опроса
подчиненных узлов, содержащих функциональные блоки ввода/выво да. Время
опроса всех узлов сети зави сит от количества узлов и ряда других факторов,
поэтому детерминированным может быть только время начала опроса.
Одним из
достоинств полевой шины является возможность
распределения функций управления процессом среди устройств нижнего
уровня (уровня полевых устройств) АСУ ТП. Архитектура FOUNDATION™
fieldbus, основанная на модели публикации данных одними сетевыми узлами и
подписки на эти данные других сетевых узлов, позволяет организовывать
тесное взаимодействие между устройствами различных производителей,
объединенными в одну сеть. Таким образом, логика алгоритма управления
может быть перенесена на нижний уровень системы управления (т.е. УСО,
датчики и исполнительные механизмы). Архитектура «ведущий подчиненный»,
используемая в PROFIBUS, означает, что весь обмен происходит по инициативе
ведущего устройства. В результате из за непредсказуемых задержек невозможно
обеспечить функционирование распределенных по устройствам нижнего уровня
контуров управления с обратной связью.
Функции системного администрирования в FOUNDATION™ fieldbus
обеспечивают исполнение функциональных блоков на разных узлах сети в точно
заданной последовательности в течение детерминированных интервалов времени,
что необходимо при реализации контуров регулирования на нижнем уровне
системы.
Подсистема администрирования
и канальный уровень FOUNDATION™
fieldbus способны также выполнять следующие важные функции:
• автоматическое присвоение сетевого адреса при добавлении нового
устройства, что обеспечивает функциональность plug and play;
• предотвращение дублирования сетевых адресов, каждому устройству на
значается один уникальный адрес;
• синхронизация времени в прикладных программах;
• поиск тегов; это устраняет необходимость в репликации системной базы
данных, содержащей информацию об устройствах.
PROFIBUS не имеет средств системного администрирования, а значит, не
способен обеспечить выполнение описанных ранее функций.
Функциональная совместимость устройств — это возможность замены устройства
полевой шины одного изготовителя на устройство другого изготовителя без потери
функциональности или степени интеграции с сис темой управления или хост
72
контроллером. Функциональная совместимость устройств позволяет пользователю
для своего проекта выбрать наиболее подходящую аппаратуру, независимо от того,
кто является производителем конкретного контроллера, датчика, исполнительного
механизма или иного полевого оборудования.
В
то время как семиуровневая
модель OSI является общепринятой в
области
сетевых
коммуникаций,
FOUNDATION™ fieldbus вводит еще
один, восьмой уровень, называемый
пользовательским
(User Level). В
этом, в частности, состоит ее отличие
от PROFIBUS PA.
Элементами
пользовательского
уровня
в
архитектуре,
используемой
FOUNDATION™ fieldbus, являются
функциональные
блоки,
которые
представляют
собой
стандартизированные
объекты
управления, такие, например, как
аналоговый вход, аналоговый выход и
ПИД регу лятор (рис. 1). Существуют
также дополнительные стандартные функциональные блоки, такие как дискретный
вход, дискретный выход, селектор сигналов, операторский ввод, блок
отношение/смещение и блок отношение. Функциональные блоки встроены в
датчики и исполнительные устройства, за счет чего обеспечивается высокий
уровень их функциональных возможностей.
PROFIBUS не имеет полностью определенных стандартных функциональных
блоков. Вместо этого используются так называемые «профили» для определения
функций, главным образом таких простых, как ввод и вывод. При этом собственно
управление осуществляется специальным хост контроллером.
В пользовательский уровень (User Layer) FOUNDATION™ fieldbus включена
возможность описания устройств на языке описания устройств (Device Description
Language, DDL). Описания устройств можно рассматривать как своеобразные
драйверы устройств. Поставщики оборудования предоставляют описания своих
устройств пользователям. После считывания описания устройств хост системой
система, как и все подключенные к ней устройства, способна поддерживать весь
спектр функциональных возможностей устройства.
PROFIBUS не имеет средств, аналогичных описанию устройства. Совместимое с
PROFIBUS оборудование должно соответствовать профилям устройств,
допустимый набор которых определяется ассоциацией PNO. Профили, содержащие
базовый набор параметров устройства, жестко заданы и не расширяемы. Это
означает, что PROFIBUS распознает только базовый набор параметров,
являющихся общими для всех устройств определенного типа. Чтобы
получить возможность доступа к дополнительным или расширенным
73
параметрам или возможностям конкретного устройства, необходимо
написать специальную программу.
Более
того,
спецификации PROFIBUS не содержат никаких
возможностей для обеспечения выполнения стандартных приложений во всех
PROFIBUS совместимых устройствах.
В то время как организации, под держивающие PROFIBUS, ссылаются на
строгое соблюдение профилей как на доказательство совместимости, на самом деле
это относится скорее к вопросам сетевой совместимости и совсем недостаточно для
настоящей совместимости уровня plug and play.
Например, для совместимого с PROFIBUS датчика температуры гарантируется
возможность обмена данными через сеть PROFIBUS. Пользователь будет в
состоянии выполнять базовые функции, такие как установка пределов измерения,
считывание температуры и т.д., однако без специального программирования он не
сможет выполнить специфические для конкретного датчика операции, такие,
например, как калибровка. Это объясняется отсутствием в PROFIBUS возможностей
описания устройств.
Используя FOUNDATION™ fieldbus, пользователь может легко подключить
устройство к сети и после загрузки описания устройства взаимодейст вовать с ним
без каких либо ограни чений. Технология FOUNDATION™ fieldbus обеспечивает
полный доступ ко всем данным, в том числе к параметрам, специфичным для
данного устройства.
Лишь некоторые версии PROFIBUS являются открытыми. Фактически компания
Siemens все свои сети на базе RS 485 называет PROFIBUS, несмотря на то, что
некоторые из
них являются частнофирменным решением Siemens. С другой
стороны, FOUNDATION
fieldbus разработана в полностью открытой и
нейтральной по отношению к различным производителям среде. Спецификации
FOUNDATION fieldbus опубликованы и доступны всем желающим.
Кроме того, в ассоциации Fieldbus Foundation установлены такие правила, что
любая часть сетевой технологии, будь то микросхемы или реализации протоколов,
принимаются, только если для них существует несколько поставщиков.
Технология PROFIBUS, разработанная компанией Siemens в 1989 г., в на стоящее
время применяется большим числом пользователей, чем FOUNDA TION™ fieldbus.
Однако следует заметить, что протокол, используемый PROFIBUS, был разработан
значительно раньше, чем протокол Fieldbus Foundation, и основан на менее
современной технологии.
Число инсталляций PROFIBUS, объявленное ассоциацией PNO, отчасти вводит в
заблуждение, так как существует множество версий PROFIBUS, ряд из которых не
совместим друг с другом. Кроме того, компания Siemens разработала ряд
протоколов, которые она называет PROFIBUS, не смотря на то, что эти протоколы
не приняты органами стандартизации Германии или организацией PROFIBUS Users
Group.
FOUNDATION™ fieldbus получает все более широкое распространение среди
производите лей аппаратно программных средств для систем промышленной
автомати зации, предъявляющих повышенные требования к отказоустойчивости и
надежности работы систем. За
по следние несколько месяцев системы,
74
использующие технологию
Fieldbus Foundation, были установлены такими
крупными компаниями, как Dow Chemical, Syncrude Canada, Ltd. и Daishowa Paper.
Подробное изучение состава членов ассоциации Fieldbus Foundation в сравнении
с PNO также показывает, что наибольшие вложения в разра ботку новых изделий
будут прихо диться на FOUNDATION™ fieldbus.
Для большинства конечных пользо вателей все перечисленные ограничения
делают PROFIBUS PA скорее временной заменой системы «4...20 мА», чем
законченной сетевой архитектурой, с которой имеет смысл связывать свое будущее.
Заключение
В
течение последних нескольких лет развитие промышленных (полевых)
сетевых архитектур было одной из самых обсуждаемых тем среди производителей и
потребителей оборудования для промышленной автоматизации. С середины 80 х го
дов предпринимались попытки вы работать единый стандарт полевой шины
(fieldbus), устанавливающий требования к открытому цифровому протоколу
обмена, который бы обес печивал возможность взаимодейст вия контроллеров,
устройств связи с объектом, датчиков и исполнитель ных механизмов разных
производи телей.
С топологией fieldbus связано много ожиданий:
• это было огромным шагом вперед в области АСУ ТП подобно тому, как
поколение назад интерфейс 4–20 мА практически полностью вытеснил
пневмоавтоматику;
• стало возможным обеспечить двунаправленную помехоустойчивую связь
между различными устройства ми системы управления;
• поскольку к единственному сегменту шины может подключаться несколько
устройств различного назначения, отпадает необходимость прокладки отдельных
линий связи и кабелей к каждому устройству, что существенно снижает затраты на
монтаж и обслуживание кабельного хозяйства;
• устройства становятся способными передавать диагностическую информацию
на верхний уровень системы управления, позволяя операторам немедленно
локализовать неисправность;
• к промышленной сети могло бы быть подключено любое совместимое по
протоколу устройство, независимо от фирмы производителя.
И, наконец, самое важное:
• поскольку «настоящий» стандарт на полевую шину позволяет устройствам
обмениваться информацией по принципу «точка точка», стало бы возможным
распределить управление технологическим процессом непосредственно на уровне
датчиков и исполнительных механизмов.
К преимуществам такого рода распределенных систем управления относится
полное (за счет параллельной обработки) использование вычислительных ресурсов
микропро цессорных устройств нижнего уровня АСУ ТП, что может привести:
• к сокращению времени реакции на события;
• к лучшей управляемости автоматизированной системы;
• к улучшению диагностики;
• к большей гибкости;
• к возможности использовать освободившиеся вычислительные ресурсы верхних
75
уровней АСУ ТП для решения дополнительных задач, в том числе для управления
производством в целом (АСУП).
Вне всякого сомнения, FOUNDATION™ fieldbus — более открытый протокол,
разработанный и поддерживаемый организацией, в состав которой входит
большинство крупнейших производителей аппаратно- программных средств для
промышленрной автоматизации. И, напротив, контроль над PROFIBUS PA
осуществляется одной компанией.
Хотя технология PROFIBUS PA, веоятно, сможет удовлетворить по требности
большого числа пользова телей в ближайшем будущем, эта технология, несомненно,
является устаревшей по сравнению с открытой, постоянно совершенствующейся
технологией FOUNDATION™ fieldbus.
6. Interbus
Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 году и
быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП благодаря
целому ряду интересных структурных решений. Прежде всего следует отметить
максимальное рас стояние, которое может охватывать эта ПС, — до 13 километров
(рис. 1). Для сетей, физический уровень которых основан на стандарте RS 485, этот
показатель очень высок, и обеспечивается он благодаря ретрансляции сигнала в
каждом узле. Максимальное количество узлов 512, расстояние между узлами до 400
метров, используемый кабель Belden 3119A. Узлы ретрансляторы образуют
основу то пологии Interbus, оконечные же уст ройства подключаются к
дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение
передается вме сте с данными. Длина дополнительных сегментов может составлять
до 200 метров, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая
пара. Доступ к среде передачи данных в Interbus организован по принципу
суммирующего фрейма и обеспечивает га рантированное время передачи
информации. Таким образом, Interbus является хорошим решением для
унифицированной автоматизации производства, компоненты которого
территориально разнесены на большое расстояние.
7.WorldFIP
76
Протокол WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) разработан на
основе французского стандарта, известного как NFC46-600 или FIP. Его
разработал консорциум компаний, производящих полевые устройства, в которых
используется система сообщений. Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям
реального времени. Главные члены консорциума - Honeywell, Baily Controls,
Cegelec, Allen Bradley, Telemecanique, Electricity de France, Elf.
Протокол построен на гибридном (централизованный/децентрализованный)
доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания
(broadcast). Контроль обеспечивается со стороны центрального узла сети (central
unit), называемого Арбитром. Основной поток данных организован как набор
отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем.
Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть
прочитана всеми узлами-приемниками одновременно. Использование режима
широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству
уникального сетевого адреса.
Функции управления некоторым процессом могут распределяться между
различными устройствами на шине. Это возможно потому, что все "приемники"
одновременно принимают одинаковые переменные, а время обновления данных и
их передача подчиняются строгому контролю. Основу FIP составляет "база
данных реального времени".
8. Беспроводные промышленные сети
Протокол IEEE 802.11 в промышленной автоматике – преимущества и
ограничения
Стандарт IEEE802.11 как наиболее популярный среди протоколов для
беспроводных сетей используется в офисах как «вставка» в проводной канал и как
способ доступа в Internet. До недавнего времени применению этой технологии в
промышленной автоматике мешала низкая и труднопредсказуемая надежность
подобной связи. Это и понятно, ведь для упрощения внедрения технологии IEEE
802.11 создатели предусмотрели невысокую мощность передатчика и не самую
«пробивную» частоту. Поэтому до сих пор применение технологии IEEE 802.11
ограничивается лишь мониторингом не опасных процессов, где потеря связи даже
на минуту не критична. А на производстве сплошь и рядом мощные
электромагнитные поля, преграды, непроницаемые для радиосвязи и т.п.
Применение беспроводных решений для промышленности оправдано, если:
-помехи не высоки и позволяют в 99% держать связь;
-потеря связи на 5…10 с не критична;
-проводная связь невозможна из-за высокой стоимости или мобильности
компонент в системе управления.
Мобильность и расстояния – это признаки, прежде всего, логистических
комплексов. Расстояния без мобильности – охранные системы и системы
видеонаблюдения. Помимо складских терминалов такие же условия
функционирования характерны для открытой разработки полезных ископаемых и
на стройплощадках. Однако низкий уровень автоматизации этих отраслей
позволяет лишь «мониторить», но не управлять.
77
Усложнение, резкое увеличение товарных
потоков во всем мире привело к взрывному
росту и переоснащению логистических
комплексов. Крупный склад, портовый узел
ежесуточно обрабатывает сотни тысяч
единиц разного рода предметов и без единой
информационной сети работать не может.
Особенностью логистических комплексов
является наличие множества подвижных
объектов – погрузчиков, работа которых
требует
постоянной
информационной
поддержки.
Таким образом, задача по модернизации
информационной сети крупного склада
(порта) выглядит так:
-комплекс размещен на площади более 100 Га
-предметы находятся как в помещении, так и на открытых контейнерных
площадках; они перемещают при помощи погрузчиков, на каждом --есть терминал,
постоянно связанный со всей информационной системой складского комплекса;
-погрузчики могут работать как в автоматическом режиме (без оператора), так и с
оператором;
-обновление информации на терминале может быть и периодическим и по
запросу и в on-line;
-по территории размещены «точки доступа» так, чтобы обеспечивать
максимальное покрытие, минимизировать площадь участков, недоступных для
связи.
Или, другими словами, требуется включить подвижные объекты в
информационную сеть комплекса.
Для решения подобных задач компания МОХА разработала свой набор
оборудования и ПО, реализовав схему «роуминга» (известную в сотовой
телефонии) для информационных сетей меньшей распределенности.
Предложенное решение достаточно просто. Помимо обмена информацией
погрузчики и точки доступа постоянно тестируют качество связи, при этом
погрузчик каждый момент времени привязывается к той точке, качество связи с
которой наилучшее. Опрос каналов связи проходит периодически, и в каждый
момент времени погрузчик «общается» только с одной точкой доступа.
Происходит постоянное динамическое переключение с одной точки на другую.
Рассмотрим список устройств, необходимых для оснащения «подвижной» части
складского комплекса.
1. Nport W2150 Plus – беспроводной Ethernet сервер последовательных
устройств. Именно микропрограмма этого устройства и реализует функцию
«роуминга», выбирая наиболее походящую по условиям связи точку доступа.
2. Терминал или компактный компьютер, для транспорта. Здесь можно
рекомендовать серию TREK панельных компьютеров с 10” сенсорным экраном.
Если же погрузчики работают без оператора – вполне подойдет компактный
компьютер серии eBox.
78
3. Оборудование для точки доступа, можно брать произвольное, лишь бы
технические характеристики соответствовали условиям применения.
10.Omron CompoBus/S
Протокол CompoBus/S - это разработка
фирмы OMRON. Сеть представляет собой
двух или четырех - проводную линию с
ответвлениями и терминалами
ввода/вывода. Время опроса 32 узлов
происходит менее 0.5 сек. Compobus/S
позволяет работать с аналоговыми
синалами. Широкий набор терминалов
позволяет построить распределенную
систему управления локальными участками за минимальное время с максимальной
эффективностью. Мастер модули Compobus/S имеются в ряду модулей всех типов
контроллеров ОМРОН.
-Подключение до 32 узлов;
-Скорость передачи данных до 750 кбод;
-Расстояние коммуникационного обмена до 500 м;
-Количество точек ввода / вывода до 256;
-Время опроса узлов сети до 0.5 мс;
-Широкий набор терминалов ввода/вывода;
-Терминалы связи с датчиками;
-Поддержка аналоговых сигналов.
Лекция № 13 Тема: Преимущества Ethernet-технологий
Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими
очевидными моментами:
1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских
станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой
персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации
подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым
адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для
промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании.
Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные
интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.
2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного
оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для
промышленного применения.
3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например,
стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в
79
секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше,
большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом
для промышленных приложений.
4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с
локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС
завода базируется на стандарте Ethernet.
Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими
очевидными моментами:
1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских
станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой
персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации
подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым
адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для
промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании.
Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные
интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.
2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного
оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для
промышленного применения.
3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например,
стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в
секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше,
большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом
для промышленных приложений.
4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с
локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС
завода базируется на стандарте Ethernet.
Преимущества Ethernet-технологий
В настоящее время промышленный Ethernet уже де-факто стал стандартом. По
некоторым оценкам, около четверти производственного оборудования будет иметь
Ethernet-интерфейс, что позволит оборудованию в цехах эффективно вписаться в
единую Ethernet-сеть предприятия. Современный промышленный Ethernet начал
заимствовать новейшие мировые тенденции, свойственные офисным решениям,
например поддержку встроенных вэб-серверов в датчиках, контроллерах, серверах
доступа, что обеспечивает доступ к этим устройствам из любой точки мира.
Проще говоря, в промышленной автоматизации современные интранетинтернет-технологии стали базовыми.
Особенности промышленного Ethernet
На рынке сегодня существует несколько типов сетевых протоколов. Тем не менее
все большее число производителей сетевого оборудования склоняются в пользу
80
промышленного Ethernet - протокола. Его отличительные особенности состоят в
следующем:
• Быстрое восстановление соединения.
Если в офисном Ethernet это время может составлять десятки секунд и даже
минуты, то в промышленном не должно превышать 300-500 мс, иначе
производственное оборудование может выйти из строя.
• Резервируемая технология.
Повышает надежность системы управления при выходе изстроя одного из
сегментов сети.
• Более высокое время наработки на отказ.
Оно составляет свыше 77 500 ч, что снижает вероятностьстановок производства.
• Резервируемое питание. Например, от сети и резервных аккумуляторов.
• Уведомление об аварийных ситуациях. Посылка e-mail - сообщений или выдача
сигналов на
релейные выходы для уведомления персонала об обрывах сегментов, превышении
трафика.
• Индустриальный дизайн. Промышленные корпуса, обеспечивающие
функционирование устройств в агрессивных средах, пыле-влагозащищенные,
выдерживающие большой диапазон рабочих температур.
• Специальные направляющие для крепления в индустриальных шкафах.
• Совместимость с системой управления.
Поддержка устройствами SNMP(управления.
Поддержка ОРС(технологий.
Сеть
устройств
Нижний уровень этой сети (сеть устройств) составляют сенсоры, датчики,
измерительные устройства, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми
(интеллектуальными, содержащими встроенные контроллеры). На этом уровне
могут располагаться также контроллеры и серверы доступа, преобразующие
входные сигналы в Ethernet-пакеты для передачи на следующий уровень сети
управления. При использовании устройств и контроллеров с интерфейсом,
отличным от индустриального Ethernet, здесь же располагаются устройства
преобразования интерфейса — шлюзы. Все шлюзы и Ethernet-контроллеры, кроме
передачи собственно данных от устройств, должны обеспечивать верхние уровни
сети также и информацией о состоянии этих устройств.
81
Уровень
управляющей
сети
Следующий, самый важный уровень сети - собственно управляющая
производственным процессом сеть. Основу ее чаще всего составляет резервируемое
оптоволоконное и электрическое Ethernet-кольцо. Это наиболее важное звено общей
сети, и прекращение его функционирования может повлечь большие
производственные потери. Правильный выбор оборудования позволит избежать
финансовых потерь в будущем. На этом уровне располагаются индустриальные
Ethernet - коммутаторы, составляющие опорную технологическую сеть,
контроллеры устройств с Ethernet-интерфейсом, устройства взаимодействия с АРМ
технологических процессов (SCADA-серверы), интеллектуальные панели
управления.
На этом же уровне могут быть установлены интеллектуальные видеосерверы для
управления видеокамерами, расположенными в ответственных местах производства
или хранения продукции. Данные с видеосерверов в реальном режиме времени
обеспечивают информацией о состоянии контролируемых объектов и могут быть
интегрированы в единую систему управления предприятием.
На
уровне
управляющей
сети
происходят
следующие
процессы:
• сбор, обработка и накопление информации обо всех параметрах технологического
процесса и промышленного оборудования и контроллеров, а также о его состоянии;
• обнаружение критических и аварийных ситуаций в работе оборудования и
уведомление
обслуживающего
персонала;
•
управление
технологическим
процессом
с
АРМ-операторов;
• формирование всех данных о состоянии и параметрах технологического процесса
для
использования
в
системах;
- управления предприятием.
82
Информация из управляющей сети в реальном времени передается на уровень сети
предприятия.
На самом верхнем уровне сети - сети предприятия - происходит формирование
всех необходимых форм для обеспечения функционирования производства
(потребности в материалах, готовая продукция), состоянии технологического
оборудования (простои, аварии), итоговых отчетных форм для руководящего
персонала, ERP-систем и т.д.
Создание современных промышленных сетей автоматизации на основе
Ethernet
Традиционно сеть Ethernet используется для сопряжения и связи персональных
компьютеров (ПК) и рабочих станций, но в классическом виде с разделяемой
средой связи она не удовлетворяет требованиям систем реального времени и
многих систем управления, так как имеет непредсказуемые задержки и даже не
гарантирует доставку сообщений. Первые сети обеспечивали скорость передачи
10 Мбит/с. Потом появился Fast Ethernet и обеспечил быструю связь со скоростью
100 Мбит/c, благодаря чему получил широкое распространение во многих
применениях, включая приборные системы измерений, системы промышленной
автоматизации, распределённые системы управления, бортовые системы и др.
В настоящее время основными стандартами для создания промышленных сетей
являются Fast Ethernet и другие стандарты, построенные на его основе, в первую
очередь — PPOFINET (IEC 61158). В таких сетях обеспечивается скорость
передачи данных до 100 Мбит/c. Однако всё активнее применяются гигабитные
промышленные сети, выпускается соответствующее сетевое оборудование,
способное функционировать в условиях температурных колебаний, вибраций,
электромагнитных излучений и т.п. Коммутируемые сети Ethernet с гигабитными
скоростями стали стандартными в 2006 году, и многие процессорные модули уже
имеют встроенный интерфейс (или несколько интерфейсов) Gigabit Ethernet как
обязательное унифицированное средство сопряжения с внешними устройствами.
Классическая звездообразная топология офисных сетей обычно формируется
вокруг серверов в центральном здании. Промышленные сети распределяют по
технологическим помещениям, зачастую находящимся в разных зданиях или на
значительном удалении; при этом к ним предъявляются повышенные требования
по надёжности и времени восстановления. Звездообразная топология
промышленных сетей позволяет кратковременно отключать отдельные сегменты,
например для профилактики, но здесь постоянно присутствует риск отказа в
центральном узле сети. Общая протяжённость кабелей в топологии «звезда»
значительно возрастает (особенно если технологический процесс «вытянут в
длину»), так как приходится прокладывать связи от центра ко всем
распределённым узлам. Это приводит к дополнительному увеличению стоимости
и повышенному риску электромагнитных наводок в неэкраниро-ванных витых
парах. Риск электромагнитных наводок в линиях связи устраняют применением
оптоволокна. Как правило, его прокладывают в коробах вдоль кабелей
электропитания со средними и низкими номиналами напряжения. Однако, говоря
о возможности устранения некоторых проблем, следует помнить, что в
83
звездообразной топологии могут проявиться и другие проблемы, например
проблема «вещательного шторма», создающего нерабочий режим в сети.
На основе Ethernet, используя сетевое оборудование для промышленных применений, на предприятиях создают интегрированные сети, объединяющие
технологические системы и системы управления. Это выдвигает новые требования к ширине полосы частот, резервированию, протоколам. Важное место
среди сетевого оборудования занимают коммутаторы. Коммутаторы для
промышленных сетей по своему исполнению соответствуют жёстким условиям
эксплуатации. Как правило, они изготавливаются в вариантах для устано ки на
монтажную рейку, размещения в специальном шкафу или монтажа в приборном
корпусе. Выбор коммутатора зависит от условий и особенностей его применения.
Важнейшие характеристики коммутатора — тип и количество портов. Тип портов
определяется принятым протоколом и средой передачи (витая пара — IEEE
802.3ab, оптоволокно — IEEE 802.3az). Характерным примером коммутаторов для
гигабитных промышленных сетей являются модульные управляемые
коммутаторы серий MICE и Power MICE (рис. 1) компании Hirschmann.
Рис. 1. Модульные управляемые коммутаторы MICE и Power MICE для
промышленных сетей
Рис. 2. Защищённый управляемый коммутатор MACH1000
Диагностика и настройка управляемых коммутаторов возможна через Webсерверы. Передача по витой паре через порт 1000Base-T поддерживает также
автоматическую нисходящую установку скорости 100 или 10 Мбит/c для
подключения оконечных устройств в соответствии с их возможностями. Для
передачи данных по гигабитному сегменту с витой парой на расстояние до 100 м
требуется кабель с 4 парами проводов, удовлетворяющий требованиям каналов
84
связи, как минимум, 5-й категории; при более высоких требованиях применяются
кабели 6-й категории. Для передачи по оптоволокну на расстояние до 550 м
используют многомодовый кабель (1000Base-SX), а для больших расстояний (20
км) — одномо-довый кабель (1000Base-LX).
По мере развития промышленных сетей совершенствовались способы повышения их надёжности. Метод группового преобразования предполагал
группирование и дублирование каналов связи: все кабели не укладываются в один
и тот же короб по одному и тому же маршруту, а группируются по частям
(например, по северной и по южной частям здания). На следующем этапе стали
резервировать сетевые коммутаторы и конечные терминальные узлы. Однако
наиболее эффективным является метод резервирования отдельных каналов в
кольцевых структурах промышленных сетей. Управляемые промышленные
коммутаторы обеспечивают время переключения на резервные каналы порядка
десятка-сотен миллисекунд. На данный момент наиболее отказоустойчивой
является кольцевая топология HIPER-Ring (рис. 4). Она была разработана одним
из лидеров в области промышленных сетей — компанией Hirschmann как решение
по созданию резервированной сетевой инфраструктуры без дублирования линий
связи. Это решение предполагает построение не полностью замкнутых кольцевых
связей в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале с восстановлением без потерь в течение 200-300 мс за счёт создания обходных путей
связи. Сейчас стремятся снизить время восстановления сети до 50 мс. Такая
топология сети из 1000 узлов была применена при автоматизации аэропорта в г.
Дрездене. Пять зданий были связаны гигабитной сетью Ethernet. Вместо
связующего дерева здесь применили HIPER-Ring с двойным резервированием в
кольце, что обеспечило среднее время восстановления 0,5 с. Примечательно, что в
этом проекте было также выполнено дублирование блоков питания.
Среди примеров резервирования в структурах промышленных сетей Ethernet
известны и другие решения, например избыточные кольцевые сети Turbo Ring и
двойные дублирующие сети.
Классическая сеть Ethernet для систем реального времени
Изначальный для сетей Ethernet протокол множественного доступа к среде
передачи с обнаружением коллизий CSMA/CD — недетерминированный и
поэтому не пригоден для систем реального времени. Решение данной проблемы
сводится к применению современной коммутируемой среды связи или к
использованию специальных методов, например метода создания сети с одним
ведущим устройством. С помощью протоколов TCP/IP и новых системных
решений на основе коммутаторов и маршрутизаторов получены определённые
результаты применения этих сетей для задач управления технологическими
процессами и предприятиями.
Применительно к модели взаимодействия открытых систем OSI Ethernet
охватывает её первые два уровня и не касается третьего уровня, на котором
находится прокол TCP/IP. Хабы работают на первом физическом уровне,
коммутаторы — на втором, а маршрутизаторы — на третьем. Коммутаторы могут
интерпретировать сигналы на первых двух уровнях, что отражается в таблице MACадресов. Если адрес отсутствует, то коммутатор посылает его всем портам. Если
85
устройство не подключено (удалено), то его вход исключается из базы данных. Тип
подключения (MDI/MDIX) определяется автоматически.
Системы реального времени на основе Ethernet создают посредством реализации
специальных методов, используя, исходя из соображений стоимости и
быстродействия, различные варианты среды связи. Один из методов создания
систем реального времени вместо протокола CDMA/CD применяет переключаемые
интервалы времени, распределяющие передачи пакетов и сообщений в
последовательной сети. Однако при таком методе недостаточно рационально
используется полоса частот. Другой метод основан на построении упрощённого
варианта сети только с одним ведущим контроллером при большом количестве
ведомых устройств без использования коммутируемой среды. Распределённая
система управления на основе такой сети использует метод интеракций одного
ведущего со многими ведомыми устройствами.
Всё же основное направление в решении проблемы реального времени — это
развитие коммутируемой среды связи. Коммутаторы и маршрутизаторы быстрой
связи используют двухточечные каналы для передачи адресуемых IP-пакетов, при
этом на основе таблиц маршрутизации определяют наилучший маршрут в сети.
Сложные функции маршрутизаторов реализуются программно, поэтому они более
совершенны по сравнению с коммутаторами, но медленнее.
Новые
маршрутизирующие коммутаторы объединяют преимущества обоих типов
устройств по быстродействию и гибкости сетевой связи.
Важными составляющими в решении проблемы являются переход на оптические
каналы связи. Новое поколение промышленных систем управления начинает
переходить на гигабитные сети Ethernet, всё шире используются кольцевые топологии или многокольцевые структуры, обеспечивая высокую надёжность сетевых
решений. В недалёкой перспективе — создание широкополосных коммутируемых
промышленных сетей 10-Gigabit Ethernet. •
В качестве примеров каналообразующего оборудования и типовых аппаратных
решений по увеличению производительности и надежности систем управления
можно рассмотреть изделия фирмы Hirschmann.
СЕТЕВЫЕ РЕШЕНИЯ ФИРМЫ HIRSCHMANN
Западногерманская фирма Hirschmann всегда стремилась к применению
новейших технологий в сет вом оборудовании. Так, в 1984 году, почти за 10 лет
до появления соответ ствующего стандарта, в университете Штутгарта она
впервые создала локальную сеть Ethernet на базе оптоволокна. В 1990 году
фирма представила Ethernet с кольцевой топологией, защищенной от отказа
узла или обрыва линии. На сегодняшний день Hirschmann выпускает полную
гамму обору дования для создания локальных и
глобальных сетей сколь угодно сложной структуры,
прежде
всего
для эксплуатации в тяжелых
промышленных условиях.
Несмотря на то что стандарт Ethernet одинаков
как для офисных, так и для промышленных сетей,
требования к каналообразующей аппаратуре в обоих
86
случаях существенно разнятся.
Промышленные условия предъявляют значительно более жесткие требования
к надежности, диапазону рабочих температур, устойчивости к электромагнитным
помехам, вибрационным и иным видам нагрузок. Серия оборудования Rail
изначально разрабатывалась фирмой Hirschmann для применения в сфере
прмышленной автоматизации и соответствующие требования были учтены еще
на этапе проектирования.
Обеспечение отказоустойчивости сетевых комплексов достигается целой
гаммой патентованных решений. Уникальная концепция построения
отказоустойчивого кольца (HIPER
Ring) позволяет не только противостоять отдельным отказам оборудования и
линий связи, но и проводить регламентные работы или работы по реконфигурации
сети, не останавливая обмена
данными в системе. Одним из наиеболее примечательных свойств этого
решения является чрезвычайно малое время восстановления после отказа, оно
составляет менее секунды.
В зависимости от степени важности задачи, решаемой на базе сетевого
оборудования
серии Rail, разработчик может задействовать
различные
заложенные механизмы обеспечения надежности и безотказности. Например,
при наличии у контроллера дублированного сетевого интерфейса любой из соот
ветствующих портов может быть подключен к оптическому кольцу, или же
для достижения более высокого уровня дублирования может быть добавлено
второе оптическое кольцо. Применение коммутаторов позволяет создавать
полностью детерминированные сети.
В номенклатуру каналообразующей аппаратуры фирмы Hirschmann входят
повторители, концентраторы и коммутаторы серии Rail. Кроме того, постав
ляются блоки питания двух типов мощностью 60 и 120 Вт, выполненные в
едином со всем оборудованием данной серии конструктивном стиле.
Повторители
Повторитель предназначен для соединения раз нородных сегментов сети
Ethernet и преодоления проблем, связанных с ограничениями длины сегмента
кабеля. Повторители представляют собой устройства с двумя портами.
Применение повторителей позволяет удлинять сегмент Ethernet до 3000
метров, а RT2 – до 20 км! Пример топологии сети Ethernet, построенной с
использованием повторителей серии RT, показан на рис. 4.
87
Ethernet, восстанавливающиеся при единичном отказе за считанные доли
секунды. Функция контроля дублирования отдельных устройств может быть
активизирована на любом включенном в сеть коммутаторе с помощью DIP
переключателей..
Концентраторы
Концентратор – это многопортовый повторитель сетевого интерфейса с
равноправными портами. Получив сигнал от одной из подключенных к нему
станций, концентратор транслирует его на все свои активные порты.
Концентраторы можно использовать как автономные устройства или соединять
друг с другом, увеличивая тем самым размер сети и создавая бо лее сложные
топологии. Их основное назначение — объединение отдельных рабочих мест в
рабочую группу в составе локальной сети.
Пример топологии сети Ethernet, построенной с использованием концентратора
RH1 TP, показан на рис. 5.
Не менее важным средством обеспечения надежности функционирования сети
является так называемая процедура Jabber control, часто именуемая сетевыми
администраторами «контролем болтливости». При возникновении не исправностей
в сетевой интерфейсной карте может возникнуть ситуация, когда в сеть будет
непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Такого рода
неисправность может значительно снизить пропускную способность сети или даже
блокировать нормальную работу значительного ее участка, что неприемлемо для
ответственных приложений. Для предотвращения
подобных
ситуаций
в
устройствах серии Rail реализована схема, которая проверяет количество битов,
переданных в пакете. Если максимальная длина пакета регулярно превышается, то
узел автоматически отключается от сети.
Более широкие возможности обеспечивает применение концентратора RH1
TP/FL этой же серии, который позволяет гибко
и
эффективно строить
разветвленные сетевые структуры, используя кабельные системы как на базе
витой пары, так и оптоволокна. Каждый такой концентратор имеет три входа для
кабеля типа витая пара и два входа для дуплексного оптического кабеля с разъё
мом BFOC. Порты для витой пары используются, как правило, для подключения
терминального оборудования, а оптические интерфейсы
применяются в
основном для построения магистрали, охватывающей большую террито рию.
Впрочем, возможна и иная топология. Например, в том случае, когда
88
терминальное оборудование находится в техноло гических зонах с высоким
уровнем электромагни ных помех, магистраль может строиться на основе витой
пары, а терминальное оборудование подключаться посредством оптоволокна,
нечувствительного к внешним воздействиям такого рода. В обоих случаях в
магистраль может быть включено не более 11 концентраторов.
Важнейшей особенностью данных устройств
является
возможность
формирования отказоустойчивой кольцевой топологии HIPER Ring. Построение
такой топологии возможно на базе оптоволоконных линий с использованием
концентраторов
RH1 TP/FL. Для этого, во первых, необходимо физически
замкнуть существующую линейную топологию (рис. 6), соединив свободные
оптические порты крайних устройств, а во вторых, нужно установить один из
включенных в кольцо концентраторов в состояние «следящего» за основной
линией связи, для чего соответствующий DIP переключатель устанавливается в
поло жение «redundant» («за пасной»). Отказ любого узла построенной кольцевой
топологии HIPER Ring или обрыв линии связи будет обнаружен «следящим»
концентратором в течение 20 миллисекунд, после чего подключается запасной
сегмент и про исходит полное восстановление функциональности сети по
запасному пути. Cемейство Rail концентраторов так же включает устройство RH1
CX+, ориентированное на сетевые структу ры с более широким набором приме
няемых кабельных систем. Эта модель имеет два порта для подключения витой
пары (соединитель RJ 45), один порт — оптоволоконный (соединитель BFOC) и
ещё один порт, соответствую щий спецификации 10Base 2 для «тоного»
коаксиального кабеля (соединитель BNC).
Рис. 6. Пример реализации отказоустойчивой кольцевой топологии HIPER Ring
с использованием концентраторов RH1 TP/FL
Коммутаторы
Коммутаторы
являются более интеллектуальными, чем концентраторы,
устройствами. Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу
соответствия портов адресам подключенных к ним сетевых узлов. Эту таблицу
администратор сети может создать самостоятельно или задать режим её
автоматичес кого формирования встроенными средствами устрой ства. Используя
89
таблицу адресов и содержащийся в передаваемом пакете адрес получателя,
коммутатор направляет полученный пакет только в тот порт, где нахо дится
адресат. Исключение делается только в случае широковещательных рассылок или
при передаче пакетов с неизвестным адресом полу чателя, которые рассылаются
по всем подключенным соединениям. На основе описанной процедуры
коммутатор фактически выполняет важнейшую функцию сегментирования сети
Ethernet, что в конечном счёте значительно расширяет её суммарную
пропускную способность. В современных коммутаторах передача данных между
любыми парами портов происходит независимо и, следова тельно, для каждого
виртуального со единения выделяется вся полоса кана ла. Скорость соединения
определяется автоматически и не требует вмешатель ства обслуживающего
персонала.
Коммутаторы RS1 и RS2 фирмы Hirschmann (рис. 7) поддерживают Ethernet со
скоростью передачи данных 10 и 100 Мбит/с.
Рис. 8. Кольцевая топология с использованием коммутаторов
Основные варианты топологических структур, создаваемых с помощью
коммутаторов таковы:
● магистраль,
● отказоустойчивое кольцо,
● отказоустойчивое объединение отдельных сегментов.
Магистральная топология сети с коммутаторами принципиально не отличается
от рассмотренных ранее структур. В зависимости от модели магистраль может
строиться либо на основе витой пары (100 Мбит/с), либо оптоволокна. Так как
применение ком мутаторов снимает проблему колли зий, то снимаются и
ограничения на количество
объединяемых
устройств. которые проходит
информационный пакет, растет и время его доставки до конечного адреса.
Разработчики систем реального времени должны учиты вать это обстоятельство.
Следует однако иметь в виду, что с ростом числа промежуточных узлов, через
которые проходит информационный пакет, растет и время его доставки до
конечного адреса. Разработчики систем реального времени должны учитывать это
обстоятельство.
90
Другое ограничение на размер сети связано с требованиями, накладываемыми
дополнительно применяемыми функциями, например алгоритмом обеспечения
отказоустойчивости. Так, соответствующая кольцевая структура на базе устройств
RS2 (рис. 8) может состоять не более чем из 50 узлов, что обеспечивает
автоматическое восстановление обмена при единичном
от казе за время
500 миллисекунд. Наряду
с
применением коммутаторов для построения сетей с
магистральной или кольцевой структурой существует
третий типовой вариант их использования, который
предполагает создание резервированных путей обмена
информационными пакетами
между отдельными
сегментами Ethernet (рис. 9).
При этом одно устройство
RS2 объявляется
ведущим, и первоначально все пакеты идут по его
линии. Соединение, относящееся к ведомому устройству,
находится в состоянии ожидания. Обмен данными между коммутаторами о
состоянии линий связи осуществляется по контрольной линии, соединяющей порты
stand by. Максимальная длина контрольной линии определяется суммарным
сопротивлением кабеля, которое не должно превышать 10 Ом. В случае отказа
основной линии авто матически (не бо лее чем за 0,5 с) включается запасной канал.
При восстановлении работоспособнос ти основной линии информационный поток
немедленно пойдет по ней. С помощью этого механизма можно организовать
сетевую структуру «двойное кольцо».
Нетрудно видеть, что описанные топологии могут комбинироваться в
зависимости от требований к сетевой структуре. Гибкость и универсальность
устройств серии Rail позволяют сетевым администраторам создавать экономичные,
надежные и высокопроизводительные системы.
Лекция № 14, 15 Тема: Промышленные сети SIMATIC NET
Что означает наименование SIMATIC NET?
Своим семейством промышленных сетей SIMATIC NET фирма SIEMENS
представляет открытую гетерогенную систему связи, предназначенную для
использования на всех уровнях иерархии систем автоматизированного управления в
условиях промышленного производства.
SIMATIC NET - это общее название семейства коммуникационных сетей,
объединяющих программируемые контроллеры SIEMENS, серверы, рабочие
станции и персональные компьютеры
Для связи контроллеров, станций распределенной периферии и средств человекомашинного интерфейса используются сетевые компоненты промышленных сетей.
PROFIBUS – сеть полевого уровня, в основном используется для связи
контроллеров со станциями распределенной периферии и операторскими
станциями, а также для передачи данных между контроллерами. Топология, как
правило, шинная, скорость передачи данных – до 12Mbps (обычно 1,5Mbps при
91
длине сегмента до 200 метров). Возможен вариант оптических сетей.
PROFINET – новые промышленные сети, основанные на Industrial Ethernet.
Скорость – 100Mbps. Отличие от Industrial Ethernet – возможность гарантированной
передачи данных за определенное время (RT, Real Time и IRT, Isochronous Real
Time).
Для обмена данными между контроллерами используется профиль PROFINET CBA
(Component Based Automation).
Существуют станции распределенной периферии для сетей PROFINET (профиль
PROFINET IO).
Планируется, что PROFINET со временем вытеснит сети PROFIBUS.
SINAUT ST7 - организация распределенных систем мониторинга и управления
технологическим процессом в распределенных конфигурациях на основе станций
управления SIMATIC S7, с использованием сети WAN (Wide Area Network)
Industrial Ethernet – промышленный вариант Ethernet, в основном
предназначенный для передачи данных от контроллеров к операторским
станциям, а также для обмена данными между контроллерами.
Обмен данными между интеллектуальными партнерами по связи
(программируемыми контроллерами, промышленными компьютерами, системами
человеко-машинного интерфейса и т.д.) системы автоматизации SIMATIC
выполняют через сети MPI (Multi Point Interface), PROFIBUS или Industrial
Ethernet.
Опрос датчиков и приводов, а также выдача команд управления производится
циклически с использованием области отображения ввода-вывода контроллеров и
соответствующих команд управления связью. Подобные варианты связи в
системах автоматизации SIMATIC могут осуществляться через сети PROFIBUSDP, AS-Interface и EIB.
92
Idustrial Ethernet - это мощная сеть верхнего уровня управления, соответствующая
международным стандартам IEEE 802.3 (Ethernet, 10Мбит/с) и IEEE 802.3u (Fast
Ethernet, 100Мбит/с). Скорость – до 100Mbps, топология – звезда, длина участка – до
100 метров (увеличивается с помощью коммутаторов).
В сочетании с использованием технологии коммутируемых сетей и
автоматической настройкой режимов передачи Industrial Ethernet позволяет
создавать системы связи, отвечающие наиболее высоким коммуникационным
требованиям. Автоматическая поддержка двух скоростей передачи данных
позволяет осуществлять постепенный переход на новые сетевые компоненты.
Ethernet занимает 80% рынка мировых локальных сетей. Industrial Ethernet позволяет
использовать Intranet и Internet, открывая новые возможности по организации связи
с системами автоматизации, их дистанционному обслуживанию и диагностике. Все
эти новые возможности активно используются компонентами SIMATIC NET.
Промышленная витая пара (10BASE–T).
Среда передачи представляет собой экранированный кабель с двумя витыми
парами с волновым сопротивлением 100 Ом. На концах кабеля, согласно
стандарту 10BASE–T, располагаются разъемы RJ–45. В рамках семейства
продукции SIMATIC NET в качестве альтернативы также возможно
использование разъемов sub–D .
Витая пара позволяет устанавливать соединения “точка – точка” между двумя
электрически активными компонентами. Это означает, что между ООД и портом
сетевого компонента всегда устанавливается прямая связь (прямой канал).
Сетевой компонент осуществляет усиление принятых сигналов и их дальнейшую
передачу через все свои выходные порты. В сетях Industrial Ethernet семейства
SIMATIC NET эти задачи выполняются такими сетевыми компонентами, как
OLM, ELM, OSM и ESM. Максимальная длина канала, связывающего ООД и
сетевой компонент (известная как “длина сегмента”) не может превышать
100.
Волоконно-оптический канал связи (10BASE–FL)
Реализация Industrial Ethernet (10 Мбит/с) с волоконно-оптическим каналом
связи . В качестве среды передачи используется многомодовый волоконнооптический кабель со стеклянными волокнами типа 62.5/125 мкм или 50/125 мкм.
Промышленная витая пара (100BASE–TX)
. В качестве среды передачи используется экранированный кабель с двумя
витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом. Характеристики передачи
данных кабеля должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к кабелям
категории 5.
Волоконно-оптический кабель (100BASE–FX)
В качестве среды передачи используется многомодовый волоконно-оптический
кабель со стеклянными волокнами 62.5/125 мкм или 50/125 мкм или одномодовый
волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами 10/125 мкм.
Волоконно-оптические кабели позволяют устанавливать соединения “точка –
93
точка” между двумя активными компонентами. Один из сетевых компонентов
выполняет усиление принимаемых сигналов и дальнейшую передачу данных
через выходные порты. В сетях SIMATIC NET Industrial Ethernet эта задача
выполняется оптическим коммутирующим модулем (OSM).
В любой момент времени по сети может передаваться лишь один пакет
данных. Каждый пакет данных проходит через все сегменты. Когда одна станция
передает, все остальные станции принимают. Станция получает право на передачу
в соответствии с методом доступа к среде передачи CSMA/CD. В состав изделий,
функционирующих в соответствии с методом доступа CSMA/CD и формирующих
ЛС совместного доступа, входят модули OLM/ELM, Mini UTDE, Mini OTDE,
звездообразный разветвитель ASGE.
С использованием данных компонентов можно создавать шинные,
звездообразные и кольцевые топологии.
Идеальной средой передачи для организации таких линий связи являются
многомодовые стеклянные волокна типа 50/125 мкм и 62.5/125 мкм.
Длина оптического канала связи зависит от имеющегося оптического
энергетического потенциала, а так же от потерь мощности оптического излучения
на длине волны 850 нм.
Оптический канал, который связывает передатчик и приемник,
характеризуется энергетическим потенциалом.
Данный параметр определяет разность между мощностью оптического
излучения, отдаваемой в канал (в отдельное волокно) оптическим передатчиком,
и мощностью, которая должна быть на входе оптического приемника для
надежного обнаружения сигнала.
В сетях Industrial Ethernet используются следующие компоненты и кабели:
• Компоненты
OLM/ELM
Звездообразный разветвитель с интерфейсными картами
Mini OTDE
• Кабели
Волоконно-оптические кабели
Витая пара, TP корд
Триаксиальный кабель
Пример шинной топологии с использованием OLM
Узел 2
Узел 1
Электрические и оптические модули связи (ELM, OLM)
94
Рисунок 6–1 Industrial Ethernet OLM
Ethernet ELM
Рисунок 6–2 Industrial
Рисунок 6–6 Оптические/электричесие коммутирующие мод (OSM/ESM)
Модули OLM/ELM восстанавливают (регенерируют) форму и амплитуду
принятого сигнала.
Оптические/электрические коммутирующие модули OSM/ESM версии 2 являются
недорогим и эффективным средством для построения коммутируемых сетей,
работающих при скоро
стях передачи данных 100 Мбит/с.
Industrial Ethernet является основой для построения систем управления с
распределенным интеллектом, поддерживающими стандарт PROFInet. Этот
стандарт существенно упрощает организацию связи между Industrial Ethernet и
сетями полевого уровня, объединение в одну систему продукции различных
производителей, позволяет заменить трудоемкие операции программирования
систем связи их графическим проектированием
PROFIBUS
Коммуникационная
сеть
полевого
уровня
и
уровня
отдельных
производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170–1–2 и
использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между
активными узлами и "ведущий - ведомый" между активными и пассивными
узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический
кабель или беспроводная среда.
PROFIBUS–PA – это сеть PROFIBUS для приложений в автоматизации
непрерывных процессов. Она объединяет коммуникационный протокол
PROFIBUS–DP и технологию передачи IEC 61158–2.
Сети PROFIBUS могут быть реализованы с использованием одной из
следующих сред:
Экранированная витая пара (волновое сопротивление 150 Ом)
Искробезопасная экранированная витая пара (для PROFIBUS-PA)
Волоконно-оптический кабель
Беспроводные сети (ИК-технология)
Различные коммуникационные сети могут использоваться независимо или, в
95
случае необходимости, объединяться между собой.
В сетях PROFIBUS используются методы доступа, описываемые стандартом
EN 50170, Том 2, а именно “Token Bus” (сеть с передачей маркера или
маркерное кольцо) для активных станций и “Master–Slave” (ВедущийВедомый) – для пассивных.
Оборот маркера (логическое кольцо)
Ведомый
Ведомый
Ведомый
Ведомый Ведомый
Ведущий = активная станция Ведомый = пассивная станция
Маркерное кольцо ■** Ведущий-Ведомый
Рисунок 1-1 Принципы технологии доступа к среде передачи информации в
сетях PROFIBUS
Активные и пассивные узлы
Технология доступа не зависит от конкретной среды передачи данных. На
рисунке 1–1 “Принципы технологии доступа к среде передачи информации в
сетях PROFIBUS” показана гибридная технология доступа с участием активных и
пассивных узлов. Ниже приводятся краткие пояснения:Все активные узлы
(ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный
порядок, при этом каждый активный узел "знает" другие активные узлы и их
порядок в логическом кольце (порядок не зависит от топологии расположения
активных узлов на шине).
Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”, передаётся
от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом логическим
кольцом.
Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может передавать
пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем
удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается передать
только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение у узла
отсутствует, он передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце.
Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания
маркера, конфигурируются для всех активных узлов.
Если активный узел обладает маркером, и если для него сконфигурированы
соединения с пассивными узлами (соединения "ведущее устройство-ведомое
устройство"), производится опрос пассивных узлов (например, считывание
значений) или передача данных на эти устройства (например, передача уставок).
Пассивные узлы никогда не принимают маркер.
Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из
логического кольца во время работы.
Встроенные оптические интерфейсы, OBT, OLM
Оптическая передача данных в сетях SIMATIC NET PROFIBUS реализуется с
96
использованием встроенных оптических портов, оптических шинных терминалов
(OBT) и модулей оптической связи (OLM). В качестве среды передачи
используются двужильные волоконно-оптические кабели, выполненные из
стекла, волокон с полимерной оболочкой или пластиковых волокон. Двужильные
волоконно-оптические кабели содержат два проводящих оптических волокна,
заключённых в общую оболочку.
Модули со встроенными оптическими портами и оптическими шинными
терминалами (OBT) можно соединять между собой только для формирования
оптических сетей, имеющих шинную топологию.
С помощью модулей OLM можно получать оптические сети, имеющие шинную
топологию, топологию типа "звезда" и "кольцо". При использовании кольцевой
топологии достигается резервирование канала передачи сигнала, и она лежит в
основе построения сетей с высокой степенью надёжности.
Архитектура протоколов и профили
Из рис.1.2, представляющего архитектуру протоколов PROFIBUS, можно
видеть, что в ней реализованы уровни 1,2 и 7. С точки зрения пользователя
PROFIBUS подразделяется на 3 профиля протокола: DP, FMS и PA.
PNO-профиль
DP--устройств
для
PNO-профиль
для
FMS-устройств
Основные
функции
Расширенные функции
Основные функции
Расширенные
функции
DP
User
Interface
Direct Data Link Mapper
(DDLM)
Layer 7
(Applicatio
n)
i
1
к
3-6
Layer 2
(Link)
Data
Fieldbus
(FDL)
Link
Data
Layer 1
(Phisik)
Phisical-Layer
(RS485/LWL)
Application
Layer Interface
(ALI)
ApplicationLayer
Fieldbus
Message
Specification (FMS)
НЕ
г
Layer
ИСПОЛЬЗУ
Layer
Link
PNO-профиль
для DP--устройств
DP
User
Interface
Direct
Data Link Mapper
(DDLM)
i
Ю
ТС Я
1
Data Link Layer
Fieldbus Data Link
(FDL)
IEC-Interface
Phisical-Layer
(RS485/LWL)
IEC 1158-2
Рис. 1.2 Архитектура протоколов PROFIBUS
PPOFIBUS-DP
97
PROFIBUS-DP применяет уровни 1 и 2, а также пользовательский интерфейс.
Уровни с 3 по 7 не используются. Благодаря такой архитектуре достигается
быстрая передача данных. Direct Data Link Mapper (DDLM) организует доступ к
уровню 2. В основу пользовательского интерфейса положены необходимые
пользовательские функции, а также системные и аппаратно-зависимые функции
различных типов PROFIBUS-DP-приборов.
Этот профиль протокола PROFIBUS оптимизирован для быстрого обмена
данными специально для коммуникаций между системами автоматизации и
децентрализованной периферией на полевом уровне.
PROFIBUS-FMS
В PROFIBUS-FMS применяются уровни 1,2 и 7. Пользовательский уровень
состоит из FMS (Fieldbus Message Specification) и LLI (Lower Layer Interface). FMS
содержит пользовательский
протокол и предоставляет
в распоряжение
коммуникационные службы.
LLI реализует различные коммуникационные связи и создает для FMS
аппаратно-независимый доступ к уровню 2. FMS применяется для обмена данными
на уровне ячеек (PLC и PC).
PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA применяет расширенный PROFIBUS-DP-протокол передачи
данных. Техника передачи согласно IEC 1158-2 обеспечивает надежность и
питание полевых приборов через шину. Приборы PROFIBUS-PA могут благодаря
применению специальных устройств (PROFIBUS-PA-Links) в простейшем случае
интегрироваться в PROFIBUS-DP-сеть.
PROFIBUS-PA – специальная концепция, позволяющая подключать к общей
шине датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.
Активные участники, подключенные к PROFIBUS, упорядочены по
возрастанию их адреса в логическое маркерное кольцо (Token-Ring) (рис.1.16).
Время одного обращения маркера через всех активных участников называется
временем обращения маркера. С помощью устанавливаемого заданного времени
обращения маркера Ttr (Time Target Rotation) определяется максимально
разрешенное время обращения маркера.
Логическое маркерное кольцо
Мастера (Masters) – активные участники Адр.: 2
Пассивные участники (Slaves)
Рис. 1.16 Метод обмена маркером (токеном)
98
Метод Master-Slave
Если логическое маркерное кольцо состоит только из одного активного и
нескольких пассивных участников, то это соответствует “чистой” системе MasterSlave (рис.1.17).
Метод Master-Slave делает возможным мастеру (активному участнику),
который имеет право прямой передачи, опрашивать назначенных ему Slaves
(пассивных участников). Мастер при этом имеет возможность принимать сообщения
от Slave, и соответственно, передавать. Типичная стандартная шинная
конфигурация PROFIBUS-DP базируется на этом методе управления шиной.
Активная станция (DP-Master) обменивается в циклической последовательности
данными с пассивными станциями (DP-Slaves).
Master (активный участник) Slave’ы (пассивные участники)
Рис. 1.17 Метод доступа Master-Slave
Шинные параметры
Безупречное функционирование сети PROFIBUS достигается только тогда, когда
установленные шинные параметры соответствуют друг другу. Шинные
параметры, заданные для одного участника, должны устанавливаться для
каждого другого участника сети, так что они идентичны во всей сети. В целом
шинные параметры зависят от выбранной скорости передачи и задаются
соответствующим инструментом проектирования. Изменения этих наборов
параметров должно проводиться только опытным персоналом.
Все шинные параметры описывают таким образом времена, которые должны
точно соответствовать друг другу. Единицей для измерения этих параметров
является tBIT (time_Bit). Один tBIT – это время передачи по шине одного бита и
называется также временем передачи бита. Это время зависит от скорости
передачи и вычисляется следующим образом:
tBIT = 1/скорость передачи (бит/c)
Например, для скорости передачи 12 Мбит/с время передачи бита – 83 ns, а для
скорости передачи 1,5 Мбит/c – 667 ns.
Резюме:
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) - это наиболее мощная сеть полевого уровня,
которая может быть использована для большинства практических применений.
Эта сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN
50170.
PROFIBUS
объединяет
технологические
99
и
функциональные
особенности
последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные
устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.
PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами.
Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя
системе связи, базируется на использовании стандартного протокола PROFIBUS.
Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное
использование нескольких протоколов передачи данных:
PROFIBUS-FMS: универсальный протокол для решения задач по обмену данными
между
и\нтеллектуальными
сетевыми
устройствами
(контроллерами,
компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на
полевом уровне.
PROFIBUS-DP: протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена
данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и
устройствами распределенного ввода-вывода (ведомыми DP-устройствами).
Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой
стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей.
PROFIBUS-PA: протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня,
расположенным в обычных или Ex-зонах (зонах повышенной опасности). Протокол
отвечает требованиям международного стандарта IEC 61158-2.
Все оборудование, выпускаемое A&D SIEMENS для сети PROFIBUS,
сертифицировано организацией пользователей PROFIBUS (PNO). Наличие этих
сертификатов гарантирует надежную работу оборудования SIEMENS в сетевых
структурах
PROFIBUS.
PROFIBUS является открытой сетью полевого уровня. Свыше 500 крупных
мировых производителей выпускает оборудование с встроенным интерфейсом
PROFIBUS-DP.
SIEMENS
оказывает
техническую
поддержку
всем
производителям, выпускающим оборудование для PROFIBUS.
Поддержка оказывается в форме
специализированных
микросхем
технических консультаций,
или
интерфейсных
поставки
модулей.
Каналы связи
В зависимости от требований, предъявляемых к сети PROFIBUS, для передачи
данных могут использоваться различные виды каналов связи.
Электрические каналы связи
Электрические каналы связи выполняются экранированной витой парой. Для
прокладки линий связи может использоваться множество кабелей для различных
условий эксплуатации. Большинство из этих кабелей поддерживает технологию
быстрого соединения (Fast Connect).
100
Оптические каналы связи
Оптические каналы связи PROFIBUS могут выполняться стеклянными или
пластиковыми оптоволоконными кабелями, предназначенными для различных
условий
эксплуатации.
Инфракрасные каналы связи
Применение модуля ILM позволяет осуществлять передачу информации по
инфракрасным каналам на расстояние до 15м.
Лабораторные работы
1. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДНОКОНТУРНОЙ АСР
Цель работы: Расчет параметров настройки, определение показателей качества процессов
автоматического регулирования одноконтурной АСР, приобретение практических навыков работы
в системе MatLab (Пакет Simulink).
1.1 Теоретические положения
В системах автоматической стабилизации режимных параметров широко
применяют замкнутые одноконтурные АСР, использующие принцип
регулирования по отклонению.
Одноконтурные АСР можно представить в виде блок-схемы (рис.1), состоящей из
объекта регулирования, регулятора и элемента сравнения. Состояние объекта
регулирования характеризуется текущим значением регулируемой величины x(t).
Текущее значение x(t) сравнивается с заданным значением x з(t) в элементе
сравнения, в котором вырабатывается рассогласование D x(t), являющейся
ошибкой регулирования. Сигнал рассогласования преобразуется в соответствии с
выбранным законом регулирования в регуляторе в регулирующее воздействие
xр(t), которое поступает на объект. Свойства АСР определяются свойствами ее
отдельных элементов.
Рис. 1. Блок-схема одноконтурной АСР.
Основная задача расчета АСР заключается в выборе закона регулирования и
расчета параметров настроек регулятора, обеспечивающих устойчивую работу
системы и оптимальные показатели качества работы АСР.
101
Для расчета АСР можно использовать различные подходы и методы
определения параметров настроек регулятора.
Эти методы можно разделить на аналитические, графо-аналитические,
эмпирические.
Широкое распространение получили методы имитационного моделирования с
использованием компьютерных средств.
Для первого приближения в определении параметров настроек регулятора
удобно воспользоваться эмпирическими соотношениями. Для этого необходимо
свойства объекта аппроксимировать передаточной функцией инерционного
звена первого порядка с звеном чистого запаздывания.
Такая аппроксимация осуществляется по кривой разгона объекта (рис.2),
полученной аналитически или экспериментально.
Рис. 2. Оценка параметров Kоб, Tоб, tоб по кривой разгона объекта.
Параметры настроек регулятора определяются по эмпирическим соотношениям:
ПИ- регулятор
102
(1)
(2)
ПИД- регулятор
(3)
(4)
(5)
При исследовании АСР необходимо решить два основных вопроса :


Вопрос устойчивости системы
Вопрос качества процесса регулирования
В процессе имитационного моделирования решают вопросы устойчивости и
качества работы АСР. При моделировании устойчивость оценивается
непосредственно по получаемым переходным характеристикам работы АСР.
Для устойчивого процесса переходная характеристика должна быть сходящейся,
приводящая регулируемый параметр x(t) к заданному значению xз(t).
Количественно запас устойчивости можно оценить по степени затухания
процесса y, который определяется по кривой переходного процесса (рис.3) по
соотношению:
(6)
где А1 и А3 экстремумы амплитуд двух соседних колебаний одного знака. Этот
показатель для устойчивых систем должен быть в пределах .
Качество
переходного
процесса
определяется
по
показателям,
характеризующим
отклонение
реального
процесса
от
желаемого.
Количественно качество переходного процесса оценивается по следующим
показателям (рис.3)
103

Статической ошибкой, являющейся отклонением регулируемого параметра от
заданного значения в установившемся режиме.
(7)

Динамической ошибкой, являющейся максимальным отклонением регулируемого
параметра от заданного значения.
(8)
Рис. 3. Показатели качества переходного процесса.
 Время регулирования , т.е. время в течении которого регулируемый
параметр достигает заданного значения с заданной точностью e. Для
практических АСР точность определяется пятипроцентным отклонением
параметра от величины заданного значения e = ± 5 %
 Интегральный квадратичный критерий, являющийся обобщенным
показателем.
(9)
Наилучшим качеством обладает АСР с минимальным значением интегрального
квадратичного критерия, при сохранении заданного запаса устойчивости.
1.2 Порядок выполнения работы.
1. Для полученного варианта работы (таблица 1) составить структурную
схему объекта (см. рис. 33).
2. Разработать одноконтурную АСР и составить соответствующие блоксхему.
3. Провести расчет параметров настроек регулятора для одноконтурной
АСР по эмпирическим соотношениям.
104
4. Разработать полученную АСР с помощью программы MATLAB (пакет
SIMULINK).
4.1 Используя блоки: Transfer Fcn, Gain, Sum создайте собственный ПИ(Д)регулятор с заданными параметрами.
4.2. сравнить с результатом, полученным при использовании готового блока
PI Controller
5. Провести анализ качества работы АСР по основным показателям
качества переходных процессов.
6. Исследуйте влияние изменения параметров настроек регулятора на
качество переходных процессов.
рис.33
Таблица 1 - Варианты задач
№
Управляющее
воздействие Wу(р)
Возмущающее
воздействие
Wв(р)
1
2  e5 p
4  e3 p
2
5 e
(20 p  1)  (5 р  1)
4 p
(3 р  1)
2  e 3 p
Передаточн. ф-я рег-тора
(5 р  1)
S0
p
S
W ( p )   S1  0  S 2  p
p
W ( p)   S1 
(6 р  1)
105
3
2  e5 p
4
3 e
5
0.5 e
6
2  e5 p
7
2  e5 p
6 p
6 p
8
9
9
2  e5 p
1
11
9 e
(7 р  1)
8
10
(20 p  1)  (5 р  1)
(20 p  1)  (5 р  1)
(20 p  1)  (5 р  1)
0.6  e
(20 p  1)
10  e4 p
(5 р
 1
)( 7
р
 1
)
W ( p)   S1 
4, 3 p
(2 р  1)(9 р  1)
(20 p  1)
0.8  e
S0
 S2 p
p
p
(20 p  1)  (4 р  1)
(9 р  1)
(5 р  1)
4
5 p
0.8 e
3 p
W ( p )   S1 
(20 p  1)  ( р  1)
5.2 p
(20 p  1)  (5 р  1)
.5  e
(5 р  1)(7 р  1)
0.8  e
(4 р  1)
S0
p
S
W ( p)   S1  0
p
S
W ( p )   S1  0  S 2  p
p
4 p
5  e4 p
S0
p
W ( p)   S1 
(3 р  1)(7 р  1)
6  e 2 p
1 e
W ( p)   S1 
(5 р  1)
4 p
0.8  e
(5 р  1)
6 p
7 e
3  e6 p
W ( p )   S1 
W ( p )   S1 
4 p
(5 р  1)(7 р  1)
S0
p
S0
 S2 p
p
S0
 S2 p
p
W ( p)   S1 
S0
p
Пример выполнения задания
1.4.1. Расчет параметров настроек одноконтурной АСР
Объектом регулирования является ректификационная колонна (рис.33), в
которой надо стабилизировать температуру верха колонны Тв.
Рис.34
106
Составляем структурную схему объекта, на которой обозначены входные и
выходные переменные и передаточные функции по основным каналам (рис.34) .
Передаточные функции по соответствующим каналам имеют следующие
значения.
В соответствии с теоретическими положениями построения одноконтурных АСР составляем
соответствующую блок-схему АСР. Проводим расчет параметров настроек регуляторов для
АСР.
Основная задача расчета АСР заключается в выборе закона регулирования и
расчета параметров настроек регулятора, обеспечивающих устойчивую работу
системы и оптимальные показатели качества работы АСР.
Воспользуемся при моделировании одноконтурной АСР с ПИ – регулятором.
Параметры настроек регулятора определяются по эмпирическим соотношениям:
ПИ- регулятор
(12)
(13)
107
1.4.2. Моделирование одноконтурной АСР с помощью программы MATLAB
(пакет SIMULINK).
Реализация регуляторов в среде Matlab.
Одним из элементов замкнутой системы является Регулятор. На вход
автоматического регулятора подаются текущее Ут и заданное Uз приводит к
изменению выходной величины регулятора Хр
Хр=f(Yт-Uз)
(14)
Эту зависимость в относительных величинах (при U=0) называют законом
регулирования. Каждый конкретный регулятор имеет свой закон регулирования:
интегральные,
пропорциональные,
пропорционально-интегральные,
пропорционально-дифференциальные,
пропорционально-интегральныедифференциальные. В динамическом отношении П- регулятор представляет
собой усилительное звено, ПИ-регулятор можно реализовать из параллельного
соединения
пропорционального
и
интегрирующего
звеньев,
ПИД
пропорционального и интегрирующего, дифференцирующего звеньев.
Передаточные функции регуляторов соответственно равны:
W=-S1
(15)
W=-S1-S0/p
(16)
W=-S1-S0/p-S2*p
(17)
,где
S1=Кр – коэффициент передачи (пропорциональности)
Sо=Кр/Ти Ти – время интегрирования (изодрома)
S2=Тд - время дифференцирования.
Например, Кр=1,2 Ти=12, тогда S1=Kp So=Kp/Tu
Используя ранее рассмотренные блоки: Transfer Fcn, Gain, Sum создадим
собственный ПИ-регулятор с заданными параметрами, для наглядности
объединим блоки в единую подсистему и назовем my PI regulyator.(рис.35)
108
рис.35
Subsystem – подсистемы- это фрагмент
оформленный в виде отдельного блока
Simulink-модели,
Для создания в модели подсистемы можно воспользоваться двумя
способами:
1. Скопировать нужную подсистему из библиотеки Subsystem в модель.
2. Выделить с помощью мыши нужный фрагмент модели и выполнить команду Create
Subsystem из меню Edit окна модели. Выделенный фрагмент будет помещен в подсистему,
а входы и выходы подсистемы будут снабжены соответствующими портами.
Аналогичный результат получим при использовании готового блока PI Controller (рис.36).
109
рис.36
Итак, разработаем одноконтурную АСР с помощью программы MATLAB (пакет SIMULINK),
используя блоки: Transfer Fcn, Gain, Sum, Snope, Step и др.
рис.37
110
При моделировании одноконтурных АСР (рис.37) в первом случае в качестве ПИ-регулятора был
использован блок PID Controller (Параметры Р=1,2 I=0.1 D=0) ,а во втором пользовательский
блок, созданных с помощью субсистемы my PI regulyator. В обоих случаях получили одинаковую
переходную характеристику.(рис.38).
Рис.38
Исследование влияния параметров настроек ПИ- регулятора, коэффициента
усиления Кр=1.2 и время изодрома Ти=0.1 проведем в следующем порядке:
Последовательно изменяем Кр сначала в сторону увеличения, например, на
0.2 т.е Кр=1.4 и в сторону уменьшения 0.2 Кр=1 при этом время изодрома
остается без изменения.(рис.39, 40). Затем при неизменном Кр изменяем время
изодрома в сторону увеличения и уменьшения.
Проводим сравнительную оценку полученных переходных характеристик по
основным показателям качества: динамической ошибке
регулирования
, показателю колебательности
111
, времени
рис.39 Моделирование одноконтурных АСР с различным коэффициентом
усиления Кр.
Рис.40 Переходные процессы при различных коэффициентах усиления Кр.
112
Как видно, увеличение коэффициентов усиления и времени изодрома ухудшает
качество переходных процессов. Уменьшение коэффициента усиления
увеличивает динамическую ошибку и время регулирования. Увеличение времени
изодрома увеличивает время регулирования и интегральный критерий.
2. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ АСР
Цель работы: Расчет параметров настроек регулятора, компенсатора,
определение показателей качества процессов автоматического регулирования
комбинированной АСР, приобретение практических навыков работы в системе
MatLab: моделирование комбинированной АСР с помощью Пакета Simulink.
2.1 Теоретические положения
Одноконтурная АСР обладает предельным значением качества процесса.
Повышение качества регулирования возможно за счет усложнения структуры
АСР.
Одной из наиболее эффективных схем является система с компенсацией
возмущения, так называемая комбинированная АСР (рис.41).
Рис.41
113
Такая АСР позволяет повысить качество регулирования относительно известного
основного возмущающего воздействия.
Для реализации комбинированной АСР необходимо определит передаточную
функцию компенсирующего элемента
.
Составим систему уравнений, описывающих данную АСР, используя понятие
передаточной функции и правила структурных преобразований
(18)
(19)
Исключим переменную
. Тогда
(20)
После преобразований получим следующее выражение для регулирующей
величины
.
(21)
Для того, чтобы регулируемая величина
не зависела от возмущающего
воздействия
, необходимо чтобы второй член уравнения был равен нулю.
Это выполняется, если числитель равен нулю.
(22)
Из этого соотношения находим передаточную функцию компенсатора.
(23)
При таком компенсаторе система инвариантна по отношению к возмущению
.
114
Это условие называют условием абсолютной инвариантности регулируемой
величины относительно данного возмущающего воздействия.
Так как компенсатор не входит в замкнутый контур передачи сигнала, то
устойчивость системы не зависит от его свойств. Расчет параметров настройки
регулятора
осуществляется как для обычной одноконтурной АСР.
Выполнение условий абсолютной инвариантности для реальных систем не всегда
практически возможно. При определенных свойствах объекта по каналам
возмущения и управления может оказаться, что полная компенсация возмущения
физически не реализуема. Так, если запаздывание объекта по каналу управления
больше, чем по каналу возмущения
, то регулирующее воздействие должно
опережать на время
возмущающее воздействие, что практически
невозможно. Для первого приближения применяют простейший компенсатор в
виде пропорционального звена с коэффициентом усиления
.
(24)
Таким образом, расчет комбинированной АСР включает следующие этапы:
1.
Расчет настроек регулятора в одноконтурной АСР.
2.
Вывод передаточной функции идеального компенсатора из условий
абсолютной инвариантности и анализ его физической реализуемости.
3.
Выбор реального компенсатора и определение его параметров из
условий приближенной инвариантности.
2.2 Порядок выполнения работы
1. Для полученного из таблицы 2 варианта работы составить
структурную схему объекта.(рис.42)
2. Разработать комбинированную АСР и составить соответствующую
блок-схему.
3. Провести расчет параметров настроек ПИ(Д)- регулятора по
эмпирическим соотношениям.
4. Провести расчет параметров компенсатора.
5. Разработать полученную АСР с помощью программы MATLAB
(пакет SIMULINK).
6.Провести анализ качества работы
переходных процессов.
АСР по основным показателям качества их
7.Исследуйте влияние изменения параметров настроек регулятора на качество
переходных процессов.
115
рис.42
Таблица 2. - Варианты задач
№
Варианта
Управляющее воздействие Возмущающее
Wу(р)
воздействие
Wв(р)
1
2  e5 p
(20 p  1)  (5 р  1)
4 p
2
5 e
3
2  e5 p
4
3 e
5
0.5 e
(3 р  1)
(20 p  1)  (5 р  1)
6 p
(7 р  1)
6 p
(5 р  1)
4  e3 p
2  e 3 p
3  e6 p
9 e
(5 р  1)
(6 р  1)
S0
p
S
W ( p )   S1  0  S 2  p
p
(5 р  1)
W ( p)   S1 
4 p
0.8  e
116
Передаточн. ф-я регтора
(3 р  1)(7 р  1)
4 p
(5 р  1)(7 р  1)
W ( p)   S1 
S0
p
S
W ( p)   S1  0
p
S
W ( p)   S1  0
p
6
2  e5 p
7
2  e5 p
0.6  e
9
11
(20 p  1)  (5 р  1)
6 p
7 e
8
10
(20 p  1)  (5 р  1)
2  e5 p
5  e4 p
(20 p  1)
W ( p )   S1 
(20 p  1)  ( р  1)
W ( p )   S1 
0.8  e
(4 р  1)
1 e
4
(5 р
 1
)( 7
р
0.8 e
10  e4 p
3 p
4, 3 p
(20 p  1)
0.8  e
(5 р  1)
S0
 S2 p
p
 1
)
W ( p)   S1 
(20 p  1)  (4 р  1)
(9 р  1)
S0
 S2 p
p
p
5 p
5.2 p
(20 p  1)  (5 р  1)
.5  e
6  e 2 p
S0
p
S
0
(2 р  1)(9 р  1) W ( p)   S1  p  S 2  p
W ( p )   S1 
4 p
(5 р  1)(7 р  1)
S0
 S2 p
p
W ( p)   S1 
S0
p
2.3 Пример выполнения задания
2.3.1. Расчет параметров настроек комбинированной АСР
Объектом регулирования является ректификационная колонна (рис.42), в
которой надо стабилизировать температуру верха колонны Тв. Составляем
структурную схему объекта, на которой обозначены входные и выходные
переменные и передаточные функции по основным каналам (рис. 43).
Передаточные функции по соответствующим каналам имеют следующие
значения.
117
Рис.43
В соответствии с теоретическими положениями построения комбинированной
АСР
составляем соответствующую блок-схему АСР. Проводим расчет
параметров настроек регулятора и компенсатора для АСР.
Воспользуемся при моделировании комбинированной АСР с ПИ – регулятором.
Так как компенсатор не входит в замкнутый контур передачи сигнала, то
устойчивость системы не зависит от его свойств. Расчет параметров настройки
регулятора
осуществляется как для обычной одноконтурной АСР.
Параметры настроек регулятора определяются по эмпирическим соотношениям
(1) и (2) :
ПИ- регулятор
118
Параметры настроек регулятора остаются такими же, как в одноконтурной
АСР
Для компенсатора из условий абсолютной инвариантности определяем
передаточную функцию.
Ввиду того, что запаздывание по каналу управления больше, чем по каналу
возмущения, физически нельзя реализовать инвариантную АСР.
Выберем физически реализуемый компенсатор в виде пропорционального
звена. Тогда
119
2.3.2 Моделирование комбинированной АСР с помощью MATLAB (пакет
SIMULINK).
Итак, разработаем комбинированную АСР с помощью программы MATLAB (пакет
SIMULINK), используя блоки: Transfer Fcn, Gain, Sum, Snope, Step и др. (рис.44)
Рис.44
Результаты моделирования рассмотренной АСР приведены на рис. 45.
120
Рис.45
процесс
переходный
3. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ КАСКАДНОЙ АСР.
Цель работы: определение показателей качества процессов автоматического
регулирования, расчет параметров основного и вспомогательного регуляторов каскадной АСР,
приобретение практических навыков работы в системе MatLab: моделирование каскадной АСР с
помощью Пакета Simulink.
3.1 Теоретические положения
Каскадные системы применяются для объектов с большой инерционностью
по каналу регулирования. Качество регулирования можно улучшить введением
дополнительного контура стабилизации вспомогательной переменной.
Структура каскадной АСР представлена на рисунке 46. В системе действуют два
регулятора – основной регулятор
, служащий для стабилизации основной
регулируемой величины X, и вспомогательный регулятор
, служащий
для регулирования вспомогательной величины X1. При этом основной регулятор
воздействует на изменение задания вспомогательному регулятору.
121
Рис. 46
Расчет каскадной АСР предполагает определение настроек основного и
вспомогательного регуляторов. Расчет настроек регуляторов осуществляют
сведением многоконтурной АСР к одноконтурной путем введения определенных
допущений.
Как видно из структурной схемы (рис.46) эквивалентным объектом
для
основного регулятора
является основной канал управления объекта
и
контур регулирования вспомогательного регулятора. Эквивалентный объект
определяется из следующих соотношений:
(25)
Исключив
и
, получим:
(26)
Эквивалентным объектом
вспомогательного регулятора
является
параллельное соединение вспомогательного канала и основной разомкнутой
системы.
122
(27)
При расчете параметров настроек основного и вспомогательного регулятора
вводят следующие допущения.
Так как быстродействие вспомогательного контура велико, то можно
предположить, что
Тогда передаточная функция эквивалентного объекта
соотношений:
определяется из
(28)
Исключая
и
, получим:
(29)
По этой передаточной функции рассчитывают параметры настроек основного
регулятора, как регулятора работающего в одноконтурной АСР.
Зная
, определяется передаточная функция эквивалентного объекта
,
(30)
по которой рассчитываются параметры настроек вспомогательного регулятора,
как регулятора, работающего в одноконтурной АСР.
3.2 Порядок выполнения работы
1. Для полученного варианта (таблица 3) работы составить структурную
схему объекта.(рис.47)
123
2. Разработать каскадную АСР и составить соответствующую блоксхему.
3. Провести расчет параметров основного и вспомогательного
регуляторов в каскадной АСР, используя приближенные
эмпирические соотношения.
4. Разработать полученную АСР с помощью программы MATLAB
(пакет SIMULINK).
5. Провести анализ качества работы АСР по основным показателям
качества их переходных процессов.
рис.47
Таблица 3 - Варианты задач
Управляющее
воздействие Wу(р)
Возмущающее
воздействие
Wв(р)
Вспомогательное
возд-е
Wу1(р)
2  e5 p
4  e3 p
2 е -2 р/ (5 р+1)
рег-тор:вспомогатй (стабилизир-й) –
основной
(корректир-й)
ПИ-ПИ
2 е -3 р/ (3 р+1)
ПИ-ПИД
5  e4 p
ПИ-ПИ
3  e 4 p
(20 p  1)  (5 р  1)
(10 p  1)  (3 р  1)
10  e6 p
(5 p  1)  (15 р  1)
4  e3 p
3  e5 p
(5 р  1)
(5 р  1)
(3 р  1)  (2 р  1)
124
(15 p  1)
9  e 5 p
4  e4 p
7  e3 p
(20 p  1)  (4 р  1)
(8 p  1)  (5 р  1)
(2 p  1)  (9 р  1)
10  e4 p
6  e6 p
(4 p  1)  ( р  1)
(8 p  1)  ( р  1)
12  e 4 p
13  e6 p
( p  1)  (3 р  1)
(11 p  1)  (5 р  1)
6  e 2 p
5  e4 p
3  e2 p
2  e5 p
1  e p
9  e3 p
(7 p  1)
(10 p  1)  ( р  1)
(3 p  1)  (2 р  1)
( p  1)  (3 р  1)
5  e4 p
7  e p
5  e 2 p
2  e p
(7 р  1)
4  e3 p
2  e p
( p  1)  (2 р  1)
6  e 3 p
(8 p  1)
(9 p  1)
(4 p  1)
(8 p  1)
(3 p  1)
13  e 5 p
(10 p  1)
(4 p  1)
(11 p  1)
ПИ-ПИД
ПИ-ПИ
ПИ-ПИД
ПИ-ПИД
ПИ-ПИ
ПИ-ПИ
ПИ-ПИД
3.3 Пример выполнения задания
3.3.1. Расчет параметров настроек каскадной АСР
Объектом регулирования является ректификационная колонна (рис.47), в
которой надо стабилизировать температуру верха колонны Тв. Составляем
структурную схему объекта, на которой обозначены входные и выходные
переменные и передаточные функции по основным каналам (рис 48).
Передаточные функции по соответствующим каналам имеют следующие
значения.
Рис.48
125
В соответствии с теоретическими положениями построения каскадной АСР составляем
соответствующую блок-схему АСР. Проводим расчет параметров настроек регулятора и
компенсатора для АСР.
Рассчитаем передаточную функцию эквивалентного объекта для основного
регулятора.
Проводим аппроксимацию характеристики эквивалентного объекта звеном
первого порядка с запаздыванием.
Определяем параметры настроек основного регулятора.
126
Параметры настроек вспомогательного регулятора в первом приближении
определяем, рассматривая в качестве объекта вспомогательный канал.
Тогда параметры настроек вспомогательного регулятора имеют следующие
значения:
3.3.2. Моделирование каскадной АСР с помощью программы MATLAB
(пакет SIMULINK).
Итак,
разработаем каскадную АСР с помощью программы MATLAB (пакет
SIMULINK), используя блоки: Transfer Fcn, Gain, Sum, Snope, Step и др. (рис.49)
Рис.49
Результаты моделирования рассмотренной АСР приведены на рис. 50.
127
Рис.50 переходный процесс каскадной АСР
4. Исследование системы связанного регулирования
В химической технологии состояние многих объектов управления
определяется несколькими регулируемыми величинами. Число регулирующих
воздействий и число регулирующих органов в таких объектах обычно равно числу
регулируемых величин. При этом возможны два варианта.
1.
Каждый
регулирующий
орган
воздействует только на «свою» регулируемую величину и практически не оказывает
внимания на другие регулируемые величины. В этом случае АСР функционирует
независимо от других систем и каждая система настраивается независимо от
настройки других систем, как в объекте с одной регулируемой величиной, то есть
имеем несвязанное регулирование отдельных координат с помощью одноконтурных
АСР (рис.51).
2.
Каждый
регулирующий
орган
воздействует не только на «свою» регулируемую величину, но в большей или
меньшей степени влияет и на другие регулируемые величины, то есть, имеем
связанное регулирование с применением многоконтурных систем, в которых
внутренние перекрестные связи объекта компенсируются внешними динамическими
связями между отдельными контурами регулирования (рис.52).
Простейшим примером объекта с взаимосвязанными параметрами является
куб ректификационной колонны, в котором регулируемыми величинами являются
уровень и температура, а регулирующими воздействиями – расход жидкости,
отводимой из куба и расход пара в кипятильник. Обычно регулятор уровня влияет
на расход кубового продукта, но при этом он оказывает воздействие и на
температуру в кубе, так как количество жидкости, находящейся в нем, меняется.
Аналогично изменение расхода пара регулятором температуры влияет на скорость
128
испарения кубовой жидкости и, следовательно, на ее уровень. В большинстве
случаев это взаимное влияние ухудшает качество регулирования, и его стараются
ослабить выбором соответствующей схемы.
R1
Y
0
W11
Xp1
Xp2
Y1
W2
W1
1
2
W22
Y2
Y
R2
0
Рис.51
R1
R12
Y0
W11
Y1
W12
W21
W22
R21
Y2
Y
R2
0
Рис.52
Структурная схема системы несвязного регулирования представлена на рис.1. выведем
передаточную функцию эквивалентного объекта в одноконтурной АСР с регулятором R1. Такой
объект состоит из основного канала регулирования и связанной с ним паралельно сложной
системы, включающей второй замкнутый контур регулирования и два перекрестных канала
объекта (рис.53).
129
XP1
Y11
W11
Y21
WЭ
W12
Y12
WW2121
Y2
XP2
R2
Y22
W22
WЗС
Рис.3
Рис5.3
Передаточная функция эквивалентного объекта имеет вид:
W1Э ( p)  W11 ( p )  W12 ( p) 1W2 2 (2 p ) R2 ( p ) W21 ( p)
R ( p)
(31)
Второе слагаемое в правой части уравнения (31) отражает влияние второго
контура регулирования на рассматриваемую систему и по существу является
корректирующей поправкой к передаточной функции прямого канала.
Аналогично для второго эквивалентного объекта получим передаточную
функцию в виде
W2Э ( p)  W22 ( p)  W21 ( p) 1W11R(1 p( p) R) 1 ( p ) W12 ( p)
(32)
Если на какой то частоте модуль корректирующей поправки будет
пренебрежимо мал по сравнению с амплитудно-частотной характеристикой прямого
канала, поведение эквивалентного объекта на этой частоте будет определяться
прямым каналом.
Если рабочие частоты двух контуров регулирования  Р1 и  Р 2 существенно
различны, взаимное влияние их будет незначительным при условии
WП 2 (i P1 )  W11 (i P1 )
где WП 2 (i P1 ) 
(33)
A21 ( P1 ) A12 ( P1 )
(34)
R21 ( i P1 ) W22 ( i P1 )
130
Наибольшую опасность представляет случай, когда инерционность прямых и
перекрестных каналов приблизительно одинаково, то есть W11(p) = W12(p)= W21(p)=
W22(p)= W(p), тогда для эквивалентных объектов при услови, R1(p)= R2(p)== R(p)
передаточные функции
W Э ( p) 
W ( p)
1  W ( p) R( p)
(35)
На границе устойчивости получим
W Э (i ) R(i )  1
(36)
Откуда
W (i ) R(i )  0.5 ,
(37)
то есть настройки регулятора, при которой система находится на границе
устойчивости, вдвое меньше, чем в одноконтурной АСР.
Для качественной оценки взаимного влияния контуров регулирования
используют комплексный коэффициент связности
W12 ( i )W21 ( i )
W11 ( i )W22 ( i )
К СВ (i ) 
(38)
который вычисляют на нулевой и рабочих частотах регуляторов. В частности,
при =0 значение КСВ определяется отношением коэффициентов усиления по
перекрестным и основным каналам
К СВ (0)  kk kk
(39)
Если на этих частотах К СВ 1 , то возможно применение несвязного
регулирования, если K СВ 1 , то воздействие на регулируемые параметры по
перекрестным каналам сильнее, чем по собственным переменным. В этом случае
целесообразно использовать автономное регулирование путем введения
компенсирующих связей между регуляторами.
Применение к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности
означает взаимную независимость входных координат у1 и у2при работе двух
замкнутых систем регулирования.
Условие автономности складывается из двух условий инвариантности:
инвариантности первого выхода у1по отношению к сигналу второго регулятора хР2 и
инвариантности второго выхода у2 по отношению к сигналу первого регулятора
(40)
у1 (t , xP 2 )  0;
y2 (t , xP1 )  0; t , xP1 , xP 2
При этом сигнал хР1можно рассматривать как возмущение для у2, а сигнал хР2
– как возмущение для у1. Тогда перекрестные каналы играют роль каналов
возмущения (рис.2). для компенсации этих возмущений в систему регулирования
вводят динамические устройства с передаточными функциями R12(p) и R21(p),
сигналы от которых поступают на соответствующие каналы регулирования.
Передаточные функции этих компенсаторов определяются как
12 21
11 22
R12 ( p)  
W12 ( p)
;
W22 ( p)
R21 ( p)  
W21 ( p)
;
W11 ( p)
(41)
131
ЗАДАНИЕ:
1. Согласно заданию) определить оптимальные настройки регуляторов без
учета перекрестных связей (как для одноконтурных АСР).
2. Выбрать динамическую связь для системы автономного регулирования в
виде апериодического или реально дифференцирующего звена и найти
оптимальные ее настройки.
3. Используя программу «Matlab» построить структурную схему модели
несвязного регулирования (рис. 51, рис.53)
4. Ввести полученные коэффициенты в структурную схему.
5. Определить показатели качества регулирования данной системы.
6. Определить коэффициент связности объекта.
7. Построить модель системы связанного (автономного) регулирования.
Структурная схема для реализации на ЭВМ представлена на рис.54.
8. Определить показатели качества процесса регулирования системы
связанного регулирования.
9. Сравнить полученные переходные процессы, сделать соответствующие
выводы.
10. Оформить результаты исследования и составить отчет о проделанной
работе.
R1
W11
R12
W12
R21
W21
R2
W22
Рис54
132
3. Практические занятия
Практическая работа №1
ИНТЕРПОЛЯЦИЯ в системе Matlab
Цель работы ─ получить аналитическое выражение функциональной
зависимости от аргумента, заданного аналитически или графиком.
Основные положения
Интерполяция ─ построение приближенного или точного аналитического
выражения функциональной зависимости, когда о ней известны только
соотношения между аргументом и соответствующими значениями функции в
конечном ряде точек. Интерполяция имеет следующие применения в АСУТП:
• линеаризация и интерполяция сигналов датчиков;
• формирование непрерывно изменяющегося сигнала по коэффициенту
временного полинома или числовой программе в системах программного
регулирования;
• получение аналитического выражения статической (обычно в виде
квадратичной формы от входных воздействий) или динамической (обычно в виде
дробно-рациональной передаточной функции) характеристик по экспериментально
полученным точкам в задачах идентификации и характеризации;
• получение аналитического выражения корреляционных функций или
спектральных плотностей при статистической обработке данных;
• переход от одной формы математического описания к другой в задачах
характеризации;
• интерполяция таблиц, номограмм, диаграмм, хранящихся в памяти ЭВМ, для
определения каких-либо параметров, например, параметров ПИД-регулятора по
номограммам.
Интерполирование функций будем вести с помощью компьютерных
технологий. Компьютерная технология интерполяции ─ есть последовательность
выполнения функций и команд компьютера для решения задач интерполяции. Она
состоит из следующих действий:
• выбор вида функции интерполяции с помощью компьютера;
• использование функций и команд универсального программного средства для
получения математической модели;
• способы построения графиков функций, заданных в табличном и формульном
видах;
• соответствие графика, построенного по данным таблицы аналитической
функции;
• способы вычисления значений функции и ее табулирование;
5
133
•
•
•
•
операции с векторами и матрицами;
решение систем линейных и нелинейных уравнений;
способы вычисления табличных разностей;
оценка адекватности модели.
Компьютерные технологии решения задач интерполяции в системе
Matlab.
Начальные сведения о системе Matlab.
Технология решения задач интерполяции состоит в выполнении на компьютере следующих действий:
• ввод исходных данных;
• визуализация исходных данных;
• выбор функции интерполяции;
• образование системы уравнений;
• решение системы уравнений;
• проверка правильности решения задачи;
• определение погрешности интерполяции. В настоящем разделе
приводятся сведения о системе Matlab лишь с
позиции решения задач интерполяции и умения выполнять перечисленные
выше действия.
Ввод исходных данных Диалог с системой Matlab происходит посредством
командного окна, которое становится доступным пользователю сразу же после
запуска программы. Окно имеет меню, панель инструментов, полосы
прокрутки, а также зону редактирования и просмотра (рис. 1.1).
Рис. 1. 1. Главное окно системы
134
Здесь же можно увидеть и строку ввода со знаком приглашения ».
Попробуем выполнить простейшие действия. Введем в строку ввода
выражение.
»х= 2 + 3
Для выполнения действия нажмем клавишу <Enter>. Результат виден
на рис. 2.1.
Невозможность редактирования ранее введенной команды простой
установкой курсора в нужную строку является одной из особенностей
системы Matlab. Для того чтобы повторить ранее введенную команду,
необходимо установить курсор в строку ввода и воспользоваться клавишами
<↑> (стрелка вверх) и <↓> (стрелка вниз). Эти клавиши позволяют
пролистать стек введенных ранее команд и оставить в строке именно ту
команду, которая необходима. Команду можно выполнить сразу (нажав
клавишу <Enter>) или после редактирования.
Методический пример
Пусть функция задана в виде таблицы (табл. 1.1). Это зависимость
плотности перегретого пара от температуры при давлении Р = 0,470 МПа.
Таблица 1.1
Зависимость плотности перегретого пара от температуры при P=0,470 МПа
t, C
р, кг/м3
170
2.382
180
2.321
190
2.265
Значения переменных
200
210
220
230
2.211 2.161 2.113 2.067
240
2.024
250
1.982
260
1.943
Поскольку MATLAB читает только латинские буквы, присвоим t=x,
ρ=у. Создадим и введем два вектора-строки х и у:
х = [170 180 190 200 210 220 230 240 250 260];
у = [2.382 2.321 2.265 2.211 2.161 2.113 2.067 2.024 1.982 1.943];
На рис. 1. 2 показаны векторы и отклики, полученные при нажатии
клавиши <Enter>.
135
Рис. 1. 2. Векторы и отклики зависимости плотности перегретого пара от температуры
Итак, мы имеем две вектор-строки (x и y), которые содержат
интересующие нас данные.
Визуализация исходных данных
Система Matlab имеет большие возможности графического
представления информации.
Познакомимся только с теми из них, которые нам необходимы.
Основной является функция plot, которая имеет вид-.
plot(x1, y1, x2, y2, ..., xn, yn, sn).
Здесь:
• xi — i-тый массив аргументов, заданный в виде вектора;
• уi — массив значений функции для заданного массива аргументов;
• si — стиль графика для i-той функции. Стиль можно не задавать. В
этом случае проблему выбора стиля система
MATLAB решает самостоятельно.
Построим график функции, заданной табл. 2. 1.
Последовательность команд будет иметь вид:
x = [170 180 190 200 210 220 230 240 250 260];
y = [2.382 2.321 2.265 2.211 2.161 2.113 2.067 2.024 1.982 1.943];
plot(x,y).
После нажатия кнопки <Enter> получим график функции рис. 1. 3.
Выбор вида функции интерполяции В АСУТП наиболее часто встречается
интерполяция таблиц, графиков, номограмм, диаграмм, хранящихся в памяти
ЭВМ, для определения каких-либо параметров. Поэтому необходимо иметь
точное аналитическое описание функций. Такой выбор может обеспечить
интерполяция точная в узлах.
136
Рис. 1. 3. График зависимости плотности пара от температуры
Интерполяция точная в узлах ─ такая интерполяция, при которой
значения функции интерполяции совпадают с ее действительными
значениями во всех узлах. Выбор вида функции интерполяции будем искать в
виде полинома.
Полиномиальная интерполяция.
Интерполяция полиномами в среде Matlab осуществляется с помощью
функции polyfit, которая имеет вид: polyfit (x,y,n). Здесь:
• x ─ вектор узлов интерполяции;
• y ─ вектор значений функции в узлах интерполяции;
• n ─ степень полинома. Откликом при реализации функции
polyfit является вектор
коэффициентов:
a, b, c, d... полинома axn + bxn-1 +cxn-2 +....
Пусть функция задана в виде табл. 1. 1. Будем искать функцию
интерполяции, представляющую собой многочлен третьей степени.
Процедуры интерполяции в Matlab имеют вид:
>> JC=[170 180 190 200 210 220 230 240 250 260];
>> y=[2.382 2.321 2.265 2.211 2.161 2.113 2.067 2.024 1.982 1.943];
>> p=polyfit (jc, y, 3)
После нажатия кнопки <Enter> получим ответ в следующем виде:
Р = -0.0000 0.0000 -0.0161
4.1757
Тогда функцией интерполяции будет следующий полином третьей
степени:
(р(х) = -0.0161 х + 4.1757,
или
р ( ) = -0.0161 + 4.1757.
По этой формуле можно определять значение плотности пара в
зависимости от температуры.
В системе Matlab имеется функция вычисления
математического выражения при заданных значениях аргументов. Функция
имеет вид: polyval (p, х). Здесь:
р — вычисляемая функция; х
— вектор аргументов функции.
В
137
оспользуемся этой функцией для проверки достоверности результатов
интерполяции.
Введем функцию/=polyval (p,x) и нажмем кнопку <Enter>.
Откликом будет следующее решение:
т=
2.3817 2.3215 2.2648 2.2113 2.1607 2.1127 2.0672 2.0239 1.9825
1.9427
Сравнивая это решение с вектором у исходных данных, видим, что они
отличаются несущественно, а значит интерполяционный полином (JC) третьей
степени хорошо отображает исходную функцию.
Найдем полиномиальную зависимость р (плотность перегретого пара)
от давления/? при постоянной температуре t. Результаты приведены в табл.
1. 2.
Таблица 1. 2.
Зависимость плотности перегретого пара от давления при постоянной температуре
p, МПа
р, кг/м3
0.392
1.973
0.412
2.074
0.431
2.177
Значения переменных
0.450
0.470
0.490 0.539
2.279
2.382
2.485 2.744
0.588
3.007
0.637
3.271
0.686
3.537
Заменим р=х, р=у.
>>х=[0.392 0.412 0.431 0.450 0.470 0.490 0.539 0.588 0.637 0.686];
>>у=[1.973 2.074 2.177 2.279 2.382 2.485 2.744 3.007 3.271 3.537];
>> diff(y, 1)
ans =
0.1010 0.1030 0.1020 0.1030 0.1030 0.2590 0.2630 0.2640
0.2660
>> dif f(y, 2j
ans =
0.0020 -0.0010 0.0010 -0.0000 0.1560 0.0040 0.0010 0.0020
» diff(y, 3j
ans =
138
12
-0.0030 0.0020 -0.0010 0.1560 -0.1520 -0.0030 0.0010
Табличные разности третьего порядка близки между собой, поэтому
интерполяционный полином будет иметь вид:
<р(х) = ах3 + bx2 + cx + d, или
(p(t) = at3 + bt2 + ct+ d.
Определим теперь значения коэффициентов а, Ъ, с, d, воспользовавшись
функцией polyfit.
Так как векторы аргумента х и функции у уже введены, то достаточно
ввести функцию polyfit и нажать клавишу <Enter>:
» р=polyfit(х,у,3)
Р=
0.9531 -1.1096 5.6690 -0.1370
139
Подставляя полученные значения в функцию у(х), получим
<р(х) = 0.9531 х3 - 1.1096х2 + 5.6690х - 0.1370, или
ф) = 0.9531 р3 - 1.1096р2 + 5.6690/? - 0.1370.
По этой формуле можно определять значение плотности пара в
зависимости от давления.
Проверим правильность решения задачи, воспользовавшись функцией
polyval:
>>/=polyval(p, JC)
1.9721 2.0769 2.1765 2.2762 2.3812 2.4865 2.7454 3.0065
3.2702 3.5374
»z=y-f; z.*z;
R=sum(»;
E=sqrt(i?)/10
E = 1.0186e-004.
Результат получен с высокой точностью.
Порядок выполнения работы
Из приложений выбрать табличные значения или получить из графиков и
решить задачу интерполяции одним из методов. Получить результат и составить
отчет.
Содержание отчета
1. Выбрать табличные значения или из графика в приложении.
2. Получить аналитическое выражение одним из методов интерполяции в
Matlabe.
3. Построить графики.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
Что такое интерполяция?
Какое применение может иметь интерполяция в АСУТП?
Из каких действий состоит компьютерная технология интерполяции?
Когда можно применять полиномиальную интерполяцию?
Практическая работа № 2
140
ИНТЕРПОЛЯЦИЯ В СРЕДЕ EXCEL
ЛИНИЯ ТРЕНДА ЗАДА ЧА №1
Цель работы ─ получить аналитическую зависимость функции от
аргумента (задано таблично) в среде EXCEL.
Последовательность выполнения
В Excel есть ряд встроенных утилит, которые можно использовать как для
решения задач по интерполяции, так и по аппроксимации зависимостей.
Анализ возможностей Excel в данной области начнем с графических
утилит. В частности, исследуем вопрос о добавлении линии тренда, которая
строится на основе экспериментальных данных, и, по большому счету является
аппроксимирующей или интерполяционной зависимостью, в зависимости от
выбора типа кривой. Последовательность выполнения:
1. Отображение анализируемых данных в графическом виде.
2. Построение кривой для рассматриваемой зависимости.
3. Анализ полученной кривой для рассматриваемой зависимости.
4. Выводы о проделанной работе.
Методический пример
В данной задаче анализируемые данные представлены таблично.
1. Для решения поставленной задачи (имеется в виду интерполяция или
аппроксимация) прежде всего, следует отобразить анализируемые данные в
графическом виде таблицы (табл. 2.1).
2. Из этих данных строим график:
«Мастер диаграмм - Точечная - Готово. Выбираем значения «7» и «X»,
соответственно «р, кг/м3» и «/?, МПа ».
3. Данные представленные на диаграмме в виде отдельных точек, т.е. кривая
для рассматриваемой зависимости не проведена. Эти данные в области
диаграммы нужно выделить и затем щелкнуть правой кнопкой мыши. В
раскрывшемся контекстом меню выбрать команду «Добавить линию тренда»
(рис. 2.1.).
Таблица 2.1 - Зависимость плотности пара (ρ,кг/м3) от давления (Р, МПа)
Р, 0,392 0,412 0,431
МПа
я
0,45
0,47
0,49
0,539 0,588 0,637 0,686 0,735 0,784
1,973 2,074 2,177 2,279 2,382 2,485 2,744 3,007 3,271 3,537 3,807 4,078
кг/м
3
1
2
А
В
С
D
Е
F
G
н
I
J
К
L
М
Р.
МПа
0,392
0,412
0,431
0,4.5
0,47
0,49
0.539
0,588
0,637
0,686
0,735
0,784
141
3
4
5
R
7
8
Э
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
,
ркг/ъГ
,
1,973
2,074
2,177
2,279
2,332
2,485
2,744
3,007
3,271
3,537
3,307
4,078
45и
■
□
3,5 -
□
■
2,5 -
л
1,5 -
♦ МПа ■ г,
_cF
-Р
кг/мЗ
Тип диаграммы,,,
~
1
0,5 -
_
25
26
27
28
Рис 2.1. Добавить линию тренда
4. В открывшемся диалоговом окне, можно задать тип линии. Выбираем
«Полиномиальную», и задаем «Порядок» равный от 2 до шести. Затем
переходим в кладку «Параметры», и необходимо поставить флажки
«Отображать уравнение», а так же «Поместить на диаграмму величину
достоверности аппроксимации (R^2)» (рис.2.2., рис. 2.3.).
Рис. 2.2. Тип линии полиномиальная
142
Рис. 2.3. Величина достоверности интерполяции и вид уравнения
Рис. 2.4. Кривая интерполяции
5. После нажатия кнопки ОК получаем результат (рис. 2.4.). В данном примере
не видно выпадающих экспериментальных точек на линии тренда и величина
достоверности R2 вполне удовлетворяет. Для построения интерполяционного
полинома, проходящего через все экспериментальные точки, необходимо чтобы
степень полинома была на единицу меньше количества точек. Очевидно, что
чем выше степень полинома, тем больше аппроксимирующая кривая
143
приближается к интерполяционному полиному. Однако положительный
результат может быть получен и при меньшем количестве точек, что видно из
(рис 2.4.). В данном случае степень полинома равна шести, а количество точек
двенадцати.
Содержание отчета
1. Записать выбранные табличные значения.
2. Получить аналитическое выражение с помощью линии тренда.
3. Построить график лини тренда.
Контрольные вопросы
1. Из каких процедур складывается последовательность выполнения
интерполяции?
2. Как определяется величина достоверности интерполяции?
3. От чего зависит величина достоверности интерполяции?
Практическая работа № 3
ИНТЕРПОЛЯЦИЯ В СРЕДЕ
EXCEL ЛИНИЯ ТРЕНДА ЗАДАЧА
№2
Цель работы ─ получить аналитическую зависимость функции от
аргумента (задано графически) в среде EXCEL.
Последовательность выполнения
В Excel есть ряд встроенных утилит, которые можно использовать как
для решения задач по интерполяции, так и по аппроксимации зависимостей.
Анализ возможностей Excel в данной области начнем с графических
утилит. В частности, исследуем вопрос о добавлении линии тренда, которая
строится на основе экспериментальных данных, и, по большому счету является
аппроксимирующей или интерполяционной зависимостью, в зависимости от
выбора типа кривой. Последовательность выполнения:
1. Отображение анализируемых данных в графическом виде.
2. Построение кривой для рассматриваемой зависимости.
3. Анализ полученной кривой для рассматриваемой зависимости.
4. Выводы о проделанной работе.
Методический пример
В данной задаче анализируемые данные представлены в виде графика
(рис 3.1).
144
Для решения поставленной задачи (имеется в виду интерполяции или
аппроксимация) прежде всего, следует отобразить анализируемые данные в
компьютерном графическом виде таблицы (табл. 3.1.).
Таблица 3.1Данные полученные с графика
0
0,97
1,8
2,63
3,29
3,65
4
4,48
5,27
6,42
…
16,21
25,5
29,2
36,4
46,4
54,5
66,5
75,6
80
88,2
91,5
…
103,7
t,
мин
т;с
Рис. 3.1 График зависимости температуры внутреннего слоя от времени протекания
процесса
1. Из этих данных строим график: «Мастер диаграмм – Точечная – Выбираем
значения «Y» и «X», Данные представлены на диаграмме в виде отдельных
точек т.е. кривая для рассматриваемой зависимости не проведена. Эти данные в
области диаграммы нужно выделить и затем щелкнуть правой кнопкой мыши. В
раскрывшемся контекстом меню выбрать команду «Добавить линию тренда»
(рис. 3.2.).
-r- —i— —i— —r- —r- —|— —r-
t,MHH
25,5
0
29,2
36,4
0,97
1,8
46,4
2,63
54,5
66,5
3,29
3,65
75,6
4
80
4,48
88,2
5,27
91,5
95,1
5,82
6,42
100
7,07
104,2
8,5
104,5
9,93
103
11,73
101,9
13,39
102,5
14,92
103,7
16,21
О
120
-100
-80 -
Xх
60 -
/
40 20 -
n
^ъ^в-а
L^p Формат рядов данных,..
Тип диаграммы,,, Исходные
данные,,,
Добавить линию тренда,,,
Очистить
^
12 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
t. мин
145
-^РЯД1
Рис. 3.2. Добавить линию тренда
2. В открывшемся диалоговом окне, можно задать тип линии. Выбираем
«Полиномиальную», и задаем «Порядок» равный шести. Затем переходим в
кладку «Параметры», и необходимо поставить флажки «Отображать уравнение»,
а так же «Поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации
(R^2)» (
3. Рис. 3.3., рис.3.4.).
Рис. 3.3. Тип линии полиномиальная
Рис. 3.4. Величина достоверности аппроксимации
146
Рис. 3.5. Кривая интерполяции
4. После нажатия кнопки ОК получаем результат (рис. 3.5.). В данном
примере не видно выпадающих экспериментальных точек на линии тренда и
высока степень достоверности. Для построения интерполяционного полинома,
проходящего через все экспериментальные точки, необходимо чтобы степень
полинома была на единицу меньше количества точек. Очевидно, что чем выше
степень полинома, тем больше аппроксимирующая кривая приближается к
интерполяционному полиному. Однако положительный результат может быть
получен и при меньшем количестве точек, что видно из (рис 3.5.). В данном
случае степень полинома равна шести, а количество точек восемнадцати.
Достоверность аппроксимации R2 = 0.9987 (величина достоверности вполне
удовлетворяет).
Содержание отчета
1. Записать выбранные графические значения из приложения.
2. Получить аналитическое выражение с помощью линии Тренда.
3. Построить график лини Тренда.
Практическое занятие №4.
Определение оптимальных настроек систем с П-регулятором
Системы автоматического регулирования теплоэнергетических процессов
должны удовлетворять следующим требованиям: обладать заданным запасом
устойчивости и обеспечивать необходимую точность регулярования. Расчет
настройки систем проводят в два этапа. На первом этапе определяют значения
147
параметров регулятора, при которых система будет обладать запасом
устойчивости не ниже заданного. Цель сторого этапа – выбрать из
удовлетворяющих первому требованию значений параметров настройки такие,
при которых обеспечивается минимальное значение критерия качества. Оценку
качества САР по ее реакции на ступенчатое возмущение производят с помощью
интегральных (линейного или квадратичного) критериев.
В системах с регуляторами, имеющими один параметр настройки (П- и Ирегулятора), заданному запасу устойчивости соответствует единственное
значение варьируемого параметра, которое и является оптимальным.
Если предположить, что поведение системы определяется ближайшей к
мнимой оси парой сопряженных комплексных корней ее характеристического
уравнения, то форма переходного процесса в реакции САР на ступенчатое
возмущение подобна процессам в колебательном звене второго порядка. В этом
случае запас устойчивости системы можно характеризовать величиной степени
затухания  . В колебательном звене степень затухания  и степень
колебательности m связаны однозначногй зависимостью:
(1)
  1  e 2m
На практике запас устойчивости оценивают величиной m  0,0221  0,336
(  0,75  0,9) . Расчет на заданный запас устойчивости проводят по
расширенным амплитудно-фазовым характеристикам системы.
Переходный процесс в системе не будет слдержать составляющих со
степенью затухания менее заданной, если обеспечивается условие
(2)
W (m, i )Wp (m, i )  1
где W (m, i ), Wp (m, i ) - расширенные амплитудно-фазовые характеристики
объекта и регулятора.
Формулировка условия (2) соответствует записи уравнения регулятора с
противоположныит знаками при входной и выходной величинах. Нсли перемена
знака сигнала в регуляторе не учитывается, условие имеет вид:
W (m, i )Wp (m, i )  1.
Условие (2) является исходным для расчета системы на заданный запас
устойчивочти, оцениваемой величиной степени колебательности m ( или
приближенно для систем выше второго порядка – степенью затухания  ).
Расширенная АФХ объекта имеет вид:
T 

i    arctg

ke  (  m i )
ke m
1 mT 

W (m, i ) 

e
T (m  i )  1
(1  mT ) 2  (T ) 2
регулятора
W p (m, i )  k p  k p e i
Условие (2) можно представить в виде:
(3)
1

Ap (m,  ) 
;
A (m,  ) 
 p (m,  )    (m,  ).
148
После подстановки численных значений в (3) получим:
(4)
(1  3,315 ) 2  (15 ) 2
kp 
;
0,28e 6 , 63
15
  30  arctg
1  3,315
(5)
Определим значение частоты  , удовлетворяющее условию (5).
Решая это уравнение графически (рис. ...), определяем:
  0,073ñåê1
Подставив найденное значение  в (4), получим:
(15  0,073) 2  (1  3,315  0,073) 2
kp 
 2,93
0,28e 6, 630, 073
Это значение коэффициента передачи регулятора обеспечивает заданный
запас устойчивости и является оптимальным.
Заметим, что располагая графиками инверсной расширенной АЧХ объекта
A (m,  )1 и его расширенной ФЧХ, можно найти k p в результате простых
построений: по расширенной ФЧХ определяем частоту  , при которой
 (m,  )   , далее, провеля из точки  вертикаль до пересечения с
инверсной расширенной АЧХ, находим ее значение на частоте  , равное в
соответствии с (4) искомому значению коэффициента передачи П-регулятора.
Практическое занятие №5.
3 Исследование объектов автоматизации (расчетная часть)
Знание статических и динамических свойств объектов автоматизации еще
в процессе проектирования имеет большое значение. Во-первых, в процессе
проектирования можно менять конструкцию, параметры технологического
оборудования так, чтобы получить нужные динамические свойства всей системы
автоматизации. Для действующего технологического оборудования, как
правило, это сделать нельзя, и поэтому проектировщик должен подбирать
автоматическое устройство – регулятор. Во-вторых, знание динамических
свойств объекта автоматизации в процессе проектирования позволяет
обоснованно выбрать регуляторы для объекта.
При решении задач идентификации объекта управления используются
аналитические и экспериментальные методы.
В основе аналитического подхода лежит детальное изучение данного
явления
путем
рассмотрения
физико-химических
закономерностей,
протекающих в объекте. Этот подход затрудняет подход учет всего
многообразия реально действующих факторов, поэтому математической модели,
полученной аналитическим методом, свойственна идеализация, и этот метод не
нашел широкого применения при обработке объектов автоматизации.
149
При определении динамических характеристик объекта управления
воспользуемся экспериментальным методом активного эксперимента., когда на
объект исследования действуют типовые входные сигналы, в частности
единичное ступенчатое воздействие, которое выбираем в пределах( 5-20) % хода
рабочего органа, то есть номинального входного сигнала. Соответственно этому
воздействию определяется временные характеристики – кривые разгона
При определении параметров объектов управления по экспериментальным
данным
в большинстве случаев оказывается возможным приближенно
оценивать свойства объектов тремя параметрами: коэффициентом усиления k0,
постоянной времени Т0, и временем запаздывания  .
Если известна временная характеристика объекта, то структура и
параметры объекта определяются заменой действительной характеристики
эквивалентной, состоящей из участка запаздывания и экспоненты с постоянной
времени Т0, подобранной так, чтобы аппроксимирующая характеристика
наилучшим
образом
воспроизводила
действительную
временную
характеристику. Передаточная функция такого объекта управления
k 0e  p
W ( p) 
(1)
(T0  p)
а его структурная схема показана на рис.1
x
  з
k
1 T 0 p
e
y
Рисунок 1.
Структурная схема системы регулирования порядка:
Y
X
WОР
WР
Рисунок 2.
150
Для АСР, использующих регуляторы непрерывного действия и
информацию для динамических свойствах объекта в виде кривой разгона,
проектирование систем регулирования сводится к следующим этапам:
1. Определить дифференциальное уравнение объекта регулирования по
его кривой разгона и проверить точность аппроксимации;
2. Рассчитать частотные характеристики объекта регулирования;
3. Выбрать требуемый закон регулирования и определить оптимальные параметры настройки регулятора;
4. Определить частотные характеристики регуляторов при оптимальных
параметрах настройки;
5. Определить частотные характеристики замкнутой системы;
6. Рассчитать переходный процесс в АСР с заданными параметрами
качества.
3.1 Определение дифференциального уравнения объекта
регулирования по его кривой разгона и проверка точности аппроксимации
1) Определение динамических характеристик объекта регулирования с
самовыравниванием ( Ко,То,τ)
Эти свойства объекта определяются по его кривой разгона или по
формулам:
To=1.25(t"-t'),
(2)
Тд=0.2(3t'-t"),Ко= Y()/X(), где t'=0,33 • Y(), t" =0,7 • Y(); (3)
Y() - определяется по заданной экспериментальной кривой разгона
объекта:
Полное время запаздывания:
τ=τд+τзапазд
(4)
2) Передаточная функция объекта определяется из выражения:
W(p)=Ko - е -pt/Tо / (Tp+l)n ,
(5) где
n - число апериодических звеньев.
Для определения n обработаем кривую разгона с тем, чтобы получить из
неё величины Тab и Тbd с помощью подкасательных, приведённых к точке
перегиба. После чего находим отношение Тab/Тbd
Тab/Тbd =0
Используя Таблицу 1, установим порядок объекта:
Таблица 1 - Данные для определения порядка объекта и параметров его
передаточной функции
Тab/Тbd
n
k1
k2
0
1
1
0
0.104
2
2.718
0.282
0.218
3
3.695
0.805
0.319
4
4.463
1.425
0.410
5
5.119
2.100
151
Если отношение Тab/Тbd с заданной точностью равно табличному значению,
то объект соответствует определенному порядку. Если же оно отличается от
имеющегося в таблице, то порядок объекта устанавливается о ближайшему
меньшему табличному значению. При Тab/Тbd<0,104 порядок объекта равен
единице и
Т0= Тbd; = Тab
Если порядок объекта выше единице, то
Т0= Тbd/k1; = k2T0
3) Для
получения
дифференциального
уравнения
по
экспериментально полученной переходной функции при ступенчатом
скачкообразном возмущении используется метод интегральных площадей (метод
Симою).
В основе этого метода лежит предположение о том, что исследуемый
объект может быть описан линейным дифференциальным уравнением n-ного
порядка со звеном чистого запаздывания
an
d nY (t )
d n 1Y (t )
d mX (t )

a



Y
(
t
)

b
n 1
1
n
dt n
dt n 1
dt m
(6)
Для объекта первого порядка дифференциальное уравнение имеет вид:
a1
dy
 a0  X (t   )
dt
(7)
Для объекта второго порядка дифференциальное уравнение имеет вид:
a2
d2y
dy
 a1  a0  X (t   )
2
dt
dt
(8)
3)Для определения коэффициентов а2 и а1, используется выражение :
n

a1=F1= е (1   i )  0,5
 i 1

n


a2=F2=   (1   i )(1   i )  0,5  F12
 i 1

(9)
(10)
Где i=Yi/Ymax,
 = t/F1, -величина разбиения
Для определения а1 и а2 переходная функция аппроксимируется без
участка чистого запаздывания.
С помощью ЭВМ находим а0 а1 и а2 (приложение А)
Для определения погрешности аппроксимации используется критерий
среднеквадратичного отклонения:
H 
1
H1 (ti )  H1 (ti )2

n 1
(11)
152
Где H1 - экспериментальные значения» Н2 - расчётные значения, n-число
точек.
при, H<10-15% поэтому можно принять объект первого порядка,=> а2=0,
а3=0
Таким образом, передаточная функция объекта:
Дифференциальное уравнение объекта:
a1
dy
 a0  x(t   )
dt
(12)
3.2 Расчет частотных характеристик объекта регулирования
Частотные характеристики, однозначно определяющие динамические
свойства объектов регулирования, используются в качестве исходных данных
для расчета сложных систем регулирования с запаздыванием
Выражение для расчета амплитудно-частотной А () и фазо-частотной

характеристик
получается
в
результате
преобразований
дифференциального уравнения кривой разгона объекта в передаточную
функцию W(p)
W(p)= к (Т р  1)(Т р  1)
1
2
(13)
путем замены комплексной переменной р на i  .
Из уравнения (7) получаем амплитудно-фазовую характеристику объекта,
являющуюся годографом векора АФХ
W(i)=A()e -i ,
где
А= W (i )  к
амплитуда
(14)
= argW(i =-(arctgT1+ arctgT2) частота
(15)
(1   2Т1 ) (1   2Т 22 )
2
Задаваясь различными значениями , найдем численные значения А) и
. Строим зависимость амплитуды от частоты и фазы от частоты.
1.3 Выбор закона регулирования и определение оптимальных
параметров его
настроек
153
Выбор закона, по которому осуществляется воздействие регулятора на
объект, производится на основании технологических требований к переходному
процессу в АСР.
Качество переходного процесса определяется следующими показателями:
Y1 доп – максимально допустимым кратковременным отклонением
параметра в переходном режиме,
Yст.доп. – максимально допустимым длительным отклонением параметра в
установившемся режиме,
tрег. – длительностью переходного процесса.
Тип регулирующего воздействия ориентировочно выбирают по
отношению времени запаздывания объекта  к его постоянной времени Т0
Для позиционного регулятора:  Т 0 < 0.2
Регулятор непрерывного действия: 0.2<  Т 0 <1
Многоконтурная система регулирования:  Т 0 >1.
При выборе закона регулирования исходными данными являются:
- динамические свойства объекта;
- максимальная величина возмущеня;
- принятый для данного технологического процесса вид типового
переходного процесса, отражающий требования, предъявляемые к ходу
технологического процесса: апериодический, с 20%-перерегулированием, с
минимальной квадратичной площадью отклонений.
В инженерной практике широкое распространение получил метод выбора
закона регулирования по номограммам. При этом сначала проверяют сможет ли
простейший регулятор (И-регулятор) обеспечить заданное качество
регулирования. Если да, то переходят к определению параметров его настройки.
Если нет, то последовательно рассматривают регуляторы, имеющие более
сложные законы регулирования.
Подбор
регулятора
начинают
с
определения
максимального
динамического отклонения y1 регулируемой величины в замкнутом контуре. При
этом должны соблюдаться условия:
y1<y1доп.
(16)
где y1доп.-максимально допустимое в системе регулирования динамическое
отклонение выходной величины.
Для устойчивых объектов величина y1 опрделяется по равенству
y1=RДk0xВ
(17)
где
RД-динамический коэффициент регулирования, характеризующий
степень воздействия регулятора на объект;
k0-коэффициент передачи объекта по каналу регулирующего
воздействия;
154
xВ-регулирующее воздействие, вызывающее такое же изменение
регулируемой величины, как и максимальное возмущающее воздействие.
Величину RД , при котором в замкнутой системе обеспечивается
протекание заданного типового переходного процесса находят по графикам [2].
По значениям RД , определенным сначала для И-регулятора, по равенству
(17) вычисляют значения y1 и сравнивают их с допустимым по условию(16). При
удовлетворении этого условия И-регулятор проверяют на время регулирования
tр. Если оно не обеспечивает заданного динамического отклонения регулируемой
величины в заданном контуре или необходимое время регулирования, то
последовательно проверяют более сложные законы регулирования до
удовлетворения условия (16).
В случае выбора П-регулятора дополнительно проверяют величину
статической ошибки регулирования на соблюдение неравенства
yст<yст.доп
(18)
Статическую ошибку регулирования определяют по равенству:
yст=yст*k0xв
(19)
*
Значение yст находят по графикам [3]
Если полученное yст* превышает допустимое, то переходят к регуляторм,
имеющим И-составляющую (ПИ-и ПИД-регуляторам).
Проверку регуляторов на время регулирования tр выполняют в
соответствии с условием
tр <tр.доп.
(20)
где tр.доп.-заданное максимально допустимое время регулирования.
Значения tр/, при которых в системе обеспечивается протекание заданного
типового переходного процесса, находят по графикам [3].
Обычно И-регуляторы применяют на объектах, имеющих значительное
самовыравнивание и малое время запаздывания. П-регуляторы обладают
быстродействием и работоспособны на инерционных объектах, но могут быть
использованы лишь тогда,когда при изменении нагрузки объекта допустимо
остаточное отклонение параметра от заданного значения. ПИ-регуляторы имеют
достаточное быстродействие, кроме того, могут выводить параметр на заданное
значение, поэтому их применяют чаще других. Если объекты характеризуются
большим запаздыванием и претерпевают значительное изменение нагрузки,
используют ПИД-регулятор.
3.4 Определение оптимальных настроек регулятора
Расчёт оптимальных настроек проводится в два этапа:
1. Определение значений параметров регулятора, при которых система
будет обладать заданным запасом устойчивости.
155
2. Выбор из удовлетворяющих первому условию параметров настройки
такие, при которых обеспечивается минимальное значение критерия качества.
Оптимальными можно считать те настройки, при которых переходный
процесс в системе регулирования имеет минимальную продолжительность, при
этом максимальное отклонение регулируемой величины не должно выходить
за заданные пределы и процесс должен быстро затухать. Затухание процесса
характеризуется степенью колебательности m и степенью затухания  , которые
связаны следующим отношением:
  1  e2m
Для степени колебательности m=0,221:  =0,75
Для получения автоматической системы регулирования с ладанкой
степенью
колебательности
используют
расширенные
амплитуднофазочастотные характеристики. Для получения РАФЧХ в выражение
передаточной функции подставляют значение p=(i-m)  Расширенные АФЧХ
обозначаются W(m,i). Настройки регулятора для которых степень
колебательности равна заданному значению находят из УСЛОВИЯ:
W(m,i)об* W(m,i)р=1
(21)
где
W(m,i)р
W(m,i)об РФЧХ объекта
РФЧХ регулятора
Расширенная
амплитудно-фазовая
характеристика
объекта,
представленного апериодическим звеном 1-го порядка с запаздыванием имеет
вид:
W(m, i=
к  exp( m )
(T )  (mT  1)
2
2
 exp i (arctg
T
  )
mT  1

(22)
РАФХ звена, представленного апериодическим звеном второго порядка с
запаздыванием:
W(m,i)=
к  exp (m  i ) 

T2 (m  i ) 2  T1 (m  i )  1
(23)


T1 (1  5m )
 

* exp  i   arctg


2
2
2
2
T2 (m  1)  T1m  1 

 

T2 2 (m2  1)  T1m  1  T1 (1  5m )

k  exp(m )

Для типовых законов регулирования РАФХ имеет вид:
П-регулятор:
W(m, i)=kр еi
(24)
156
И-регулятор:
W(m,i)=
 

* exp i  arctg m 

 m2  1
2
кр
(25)
ПИ-регулятор:
W(m, i)=
(k р / Tи  mk р ) 2  (k р ) 2
 m2  1
 

Tи
* exp i  arctg
 arctg m  (26)
1  mTи
  2

ПИД-регулятор:
А(m,
)=
kр
 m2  1
(1  m ) T
2

 (1 / TИ  m )   2 (1  2mTД ) 2 ФЧХ
2
2
Д
регулятора:
(27)
1




Tи  m 
2
2

 (m, )    arctg (1  m ) Tд 
 arctg m

  2m 2Tд 




Условие (21) можно представить как
Aр (m, ) 
1
AОБ (m, )
(28)
 р (m, )   ОБ (m, )
Подставляя численные значения АЧХ и ФЧХ объекта и регулятора в
систему (28), в случае с П- и И-регуляторами, то есть с регуляторами с одним
параметром настройки, из второго уравнения системы (28) определяем рабочую
частоту регулятора, подставляя которую в первое уравнение системы (28)
определяем параметр настройки – коэффициент передачи регулятора,
обеспечивающий заданный запас устойчивости и являющимся оптимальным.
Рабочую частоту можно найти графическим методом. За рабочую принимается
частота,на которой фазо-частотная характеристика регулятора пересекает
отметку 180град. или 3.14рад.-для П-регулятора, и 90град. или 1.57рад.-для Ирегулятора.
При использовании регуляторов, имеющих два параметра настройки, то
есть ПИ-регуляторов, в плоскости параметров настройки регулятора-kр и kр/Ти
строят линию равной степени колебательности (m-const.), задаются рядом
равноотстоящих значений частоты  от нуля до некоторого граничного
значения. Граничное значение частоты определяется из условия kр/Ти =0.
157
Разным точкам на кривой равной степени колебательности соответствуют
различные процессы регулирования. Рабочую частоту выбирают из условия:
р=1.2max.
В случае использования ПИД-регулятора с тремя параметрами настройки,
из системы уравнений (16) можно найти настройки S1, S0 как функции S2:
S1 
1
1  m 2 cos( об (m,  )  arctgm   )  2S 2 m
Aоб (m,  )
S0 
1
1  m 2 (m cos( об (m,  )  arctgm   )  sin(  об (m,  )  arctgm   )  S 2 2 (1  m 2 )
Aоб (m,  )
где S0= kр/Ти; S1= kр; S2=ТД.
(29)
Оптимальные настройки регулятор рассчитывают следующим образом.
Задаваясь различными значениями S2 по формулам (29) находят линии равной
степени колебательности в плоскости параметров S1S0. Затем рассчитывают
переходные процессы и по минимуму JКВ выбирают оптимальные S1 и S0 при
каждом значении S2 (обычно они соответствуют точке вблизи вершины кривой
равной степени колебательности). Далее моделируют переходные процессы для
каждго варианта настроек S2 и выбирают оптимальное значение S2* и
соответствующие ему S1* и S0*.
3.5 Определение частотных характеристик замкнутой системы
Если замкнутая система имеет степень колебательности не ниже заданной,
то замкнутая система будет обладать заданной степенью колебательности в том
случае, когда РАФХ замкнутой системы W(m,i) пройдет через точку (1,i0)
W pc (m, i )  1
Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:
Wзс 
Wo
,
1  W pc
(30)
где Wo – передаточная функция объекта определенная ранее.
Частотные характеристики получаем так же путем замены оператора
Лапласа рi и разделяя переменные.
AЗС ( ) 
AO ( )
1  AO ( ) AP ( ) cosO ( )   P ( )  AO ( ) AP ( ) sin O ( )   P ( )
 ЗС ( )  arctg
2
AO ( ) AP ( ) sin  O ( )   P ( )
  O ( )
1  AO ( ) AP ( ) cos O ( )   P ( )
158
2
(31)
(32)
Частотные характеристики определяют в интервале частот от 0 до ср;
оценку "частоты среза" ср=n0 производят по условию АЗС(n0)=0.
3.6 Построение переходного процесса в замкнутой АСР
Вычисление переходной характеристики АСР при заданном возмущении на входе системы х В и оценка
по ней качества работы системы, является заключительным этапом расчетов.
Построение графиков переходных процессов для наиболее характерных возмущений возможно с
помощью следующих методов:
-методом дифференциальных уравнений;
-методом трапецеидальных частотных характеристик;
-методом Акульшина.
Метод Акульшина основан на представлении входного и выходного
сигналов системы рядом Фурье. При ступенчатом возмущающем воздействии x0
разложение в ряд Фурье регулируемой величины y(t) имеет вид:
y (t ) 
2 x0 
1

 AЗС ( 0 ) sin  0t   ЗС ( 0 )  AЗС (3 0 ) sin 3 0   ЗС (3 0 )  ...
 
3

(33)
где
AЗС(),
ЗС()-амплитудо-частотная и фазочастотная
характеристики замкнутой системы относительно возмущающего воздействия.
Частота 0 выбирается из условия  0 
где Р-рабочая частота системы.
159
Р
6
Практическое занятие №6
Схемы автоматизации технологических процессов
Схемы автоматизации являются основными чертежами, определяющими
построение системы автоматического управления технологической установкой.
Системы автоматизации на этих схемах представляют в виде блоков
автоматического контроля управления и регулирования, дающих полное
представление об оснащении объекта приборами и средствами автоматизации,
включая средства телемеханики и вычислительной техники.
На схеме автоматизации упрощенно изображают технологический агрегат
и располагают приборы и средства автоматизации в условных изображениях с
указанием связей между ними.
Основные условные изображения приборов и средств автоматизации
(ГОСТ 21.404.– 85), приведены в таблице 4.1. Для обозначения измеряемых и
регулируемых величин и функциональных признаков приборов приняты
прописные буквы латинского алфавита – таблица 4.2.
Т а б л и ц а 4.1. Условные обозначения приборов и средств автоматизации.
Наименование
Первичный измерительный преобразователь (датчик), прибор
(контролирующий, регулирующий):
Базовое обозначение:
Допускаемое значение:
Прибор устанавливаемый на щите:
Исполнительный механизм:
Регулирующий орган:
Линия связи:
Пересечение линий связи:
- без соединения друг с другом;
- с соединением между собой.
160
Обозначение
Т а б л и ц а
Обозначение
латинской
буквы
4.2. Буквенные условные обозначения приборов и средств
автоматизации.
Измеряемая
Величина
Основное
Дополнительное Отображение
значение
значение,
информации
первой
уточняющее
буквы
значение,
первой буквы
Функции,
выполняемые
прибором
Формирование Дополн
выходного
зна
сигнала
—
—
Сигнализация
C
—
Топливо,
горение
—
—
—
D
Плотность
Разность,
Перепад
—
Регулирование,
управление
—
E
Любая
электрическая
величина
Расход
—
—
—
Соотношение,
доля, дробь
—
—
A
B
F
G
H
I
J
K
Размер,
положение,
перемещение
Ручное
воздействие
—
Автоматическое
переключение
Время,
временная
программа
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Показание
—
—
—
—
—
—
—
L
Уровень
—
—
—
M
O,N
Влажность
Резервные
буквы
Давление,
вакуум
Величина,
характеризующая
качество: состав,
концентрацию и
т.д.
Радиоактивность
—
—
—
—
—
—
—
—
Интегрирование,
суммирование
по времени
—
—
—
Регистрация
—
P
Q
R
Чувств
эл
—
161
Верхн
изме
вел
Ст
упра
Нижни
изме
вел
S
T
U
V
W
Y
Включение,
переключение
отключение,
сигнализация
Скорость,
частота
—
—
Температура
—
—
—
Дистанционная
передача
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Несколько
разнородных
измеряемых
величин
Вязкость
Масса
—
Преобразование
—
S
В верхней части окружности, обозначающей прибор, проставляют
буквенное обозначение измеряемой величины и функционального признака
прибора, в нижней – позиционное обозначение, служащее для нумерации.
Порядок расположения буквенных обозначений следующий:
1) обозначение основной измеряемой величины;
2) обозначение, уточняющее (если это необходимо), основную измеряемую
величину;
3) обозначение функционального признака прибора: если их несколько, то
порядок обозначений следующий: IRCSA.
4) В нижней части окружности показывают позиционное обозначение,
состоящее из арабской цифры и русской буквы.
Пример построения условного обозначения:
1 2 3 4 5 6
P D I RC S
1г
7
1) Основное обозначение измеряемой величины: P – давление.
2) Уточняющее обозначение измеряемой величины: D – перепад.
3;4;5;6) Функциональные признаки прибора: I – показание, R–регистрация,
C – регулирование, S – переключение.
7) Позиционное обозначение прибора, включающееся в спецификацию – 1г.
Следовательно, прибор, показанный на примере, предназначен для показания,
регистрации, регулирования и переключения при определенном значении
перепада давления. Прибор устанавливается на щите.
162
Т а б л и ц а 4.3. Примеры построения условных обозначений (ГОСТ 21.404-85)
Наименование
Обозначение
Первичный измерительный преобразователь (чувствительный
элемент) для измерения температуры установленный по месту
(термометр термоэлектрический, термометр сопротивления,
датчик пирометра и т.п.).
Прибор для измерения температуры:
показывающий, установленный по месту (термометр
ртутный и т.п.);
показывающий,
установленный
на
щите
(милливольтметр, потенциометр, мост автоматический и т.п.);
бесшкальный с дистанционной передачей показаний,
установленный по месту;
регистрирующий, установленный на щите;
показывающий, регистрирующий, установленный на щите
(потенциометр, многоточечный и т.п.);
регистрирующий, регулирующий, установленный на щите
(регулирующий потенциометр и т.п.).
Регулятор температуры бесшкальный, установленный на щите.
Прибор для измерения расхода:
показывающий, регистрирующий, установленный на щите;
показывающий, интегрирующий, установленный по месту;
показывающий, интегрирующий, с устройством для
выдачи сигнала после прохождения заданного количества
вещества, установленный на щите.
Прибор для измерения качества продукта показывающий,
установленный по месту (газоанализатор на кислород).
Переключатель электрических цепей измерения (управления),
установленный на щите.
Аппаратура для ручного дистанционного управления,
установленная на щите (кнопка, ключ управления).
Указатель положения, установленный на щите (например,
указатель положения регулирующего органа).
Преобразователь сигнала, установленный по месту (например,
преобразователь давления в электрический сигнал).
Вычислительное
устройство,
выполняющее
функцию
умножения на постоянный коэффициент k, установленное на
щите.
163
В табл. 4.3. приведены примеры построения условных обозначений в
основном для приборов измерения и регулирования температуры и расхода. В
ряде случаев для конкретизации измеряемой величины, например,
концентрации, около окружности (справа вверху) указывается наименование или
символ измеряемой величины: рН, О2, СО2 и т.д.
Около обозначения преобразователей и вычислительных устройств (справа
вверху) указываются дополнительные обозначения, характеризующие операцию
(см. табл. 4.4)
Т а б л и ц а 4.4. Дополнительные обозначения преобразователей и
вычислительных устройств.
Обозначение,
Вычислительная операция, выполняемая устройством характеризующее
операцию
Род сигнала
Электрический
Е
Пневматический
Р
Гидравлический
G
Виды сигнала
Аналоговый
А
Дискретный
D
Операции, выполняемые вычислительным
устройством
Σ
Суммирование
Умножение сигнала на постоянный коэффициент
k
Перемножение двух и более сигналов друг на друга
Деление сигналов друг на друга
:
Возведение величины сигнала f в степень n
извлечение из величины сигнала f корня степени n
fn
n
f
логарифмирование
дифференцирование
dx/dt
интегрирование

изменение знака сигнала
ограничение верхнего значения сигнала
164
lg
х(–1)
max
ограничение нижнего значения сигнала
Пример:
min.
Рассмотрим схему функциональной структуры САР расхода
топлива в агрегате.
Спецификация
Обозначение
1а
1б
1в
1г
1д
1е
1ж
1з
Наименование
Диафрагма камерная ДКС
Манометр Сапфир 22ДД
Блок извлечения корня БИК –1
Ручной задатчик РЗД-22
Показывающий прибор Диск-250и
Регулятор давления Ремиконт Р-130
Исполнительный механизм МЭО
Поворотная заслонка
165
Количество
1
1
1
1
1
1
1
1
Примечание
Блок контроля знаний
$$$
Статическую ошибку уменьшают:
A Увеличением постоянной времени;
B Увеличением коэффициента усиления;
C Уменьшением постоянной времени;
D Уменьшением коэффициента усиления;
E Нет правильного ответа.
$$$
Время регулирования характеризует:
A Устойчивость САУ;
B Точность САУ;
C Быстродействие САУ;
D Колебательность САУ;
E Нет правильного ответа.
$$$
Для анализа качества интеграторов лучше всего использовать:
A Единичный скачек;
B Сигнал постоянной скорости;
C Единичный импульс;
D Гармонический сигнал;
E Сигнал «прямоугольная волна».
$$$
Точность САУ при отработке сигнала постоянной скорости оценивают по:
A Кинетической ошибке;
B Динамической ошибке;
C Статической ошибке;
D Не оценивают;
E Нет правильного ответа.
$$$
Точность САУ при отработке гармонического сигнала оценивают по:
A Кинетической ошибке;
B Динамической ошибке;
C Статической ошибке;
D Не оценивают;
E Нет правильного ответа.
$$$
Точность САУ при отработке единичного скачка оценивают по:
A Кинетической ошибке;
B Динамической ошибке;
C Статической ошибке;
D Не оценивают;
E Нет правильного ответа.
$$$
Динамическая ошибка характеризует:
166
A Только переходный режим;
B Только установившийся режим;
C Установившийся и переходный режим;
D Ничего не характеризует;
E Нет правильного ответа.
$$$
Изодромный регулятор это:
A И – регулятор;
B П – регулятор;
C ПИ – регулятор;
D ПД – регулятор;
E ПИД – регулятор.
$$$
И - регулятор устойчиво регулирует работу:
A Любых объектов управления;
B Только объектов управления с самовыравниванием;
C Только объектов управления без самовыравнивания;
D Только объектов управления первого порядка;
E Нет правильного ответа.
$$$
Увеличение коэффициента усиления:
A Повышает устойчивость САУ;
B Понижает устойчивость САУ;
C Не влияет на устойчивость САУ;
D Изменение коэффициента усиления невозможно;
E Нет правильного ответа.
$$$
Статическая ошибка не равна нулю при:
A П – регулировании;
B И – регулировании;
C ПИ – регулировании;
D ПИД – регулировании;
E П - и И – регулировании.
$$$
Статическим объектом называют такой, параметры которого:
A Зависят от временных и пространственных координат;
B Являются функциями только времени;
C Не являются функциями времени;
D Не завися ни от временных, ни от пространственных координат;
E Нет правильного ответа.
$$$
Динамическим объектом управления называется такой, параметры которого:
A Являются функциями только времени;
B Не являются функциями времени;
C Являются функциями только пространственных координат;
167
D Не завися ни от временных, ни от пространственных координат;
E Нет правильного ответа.
$$$
Управляющим устройством является
A Машины, аппараты и другие технические устройства, нуждающиеся в
специально организованных воздействиях извне для их правильного
функционирования;
B Технические устройства, с помощью которых осуществляется автоматическое
управление;
C Совокупность управляющих и возмущающих воздействий;
D Все вышеперечисленные ответы;
E Нет правильного ответа.
$$$
Объект управления называется устойчивым если после устранения внешнего
воздействия:
A Его управляемая координата возвращается в исходное равновесное состояние;
B Его управляемая координата продолжает удаляться от исходного равновесного
состояния ;
C Его управляемая координата принимает постоянное значение отличное от
первоначального;
D Верно 1 и 3;
E Нет правильного ответа.
$$$
В каком виде частотная передаточная функция представлена верно:
A W(j)=U()+jV();
B W(j)=(U2()+V2());

C W(j)=A() e j ( ) ;
D Верно 1 и 2;
E Верно 1 и 3.
$$$
Значение модуля АФХ можно найти по выражению:
A U()+Jv();
B (U2()+V2());

C A() e j ( );
D Верно 1 и 2;
E Верно 1 и 3.
$$$
Воздействие мгновенно возрастающее от нуля до единицы и далее остающееся
неизменным называется:
A Единичный импульс;
B Единичная полуволна;
C Единичный вектор;
D Единичное ступенчатое воздействие;
E Ответы 1 и 4 верны.
168
$$$
Объектом управления называется:
A Машины, аппараты и другие технические устройства, нуждающиеся в
специально организованных воздействиях извне для их правильного
функционирования;
B Технические устройства, с помощью которых осуществляется автоматическое
управление:
C Совокупность управляющих и возмущающих воздействий;
D Все вышеперечисленные ответы:
E Нет правильного ответа.
$$$
Переходной характеристикой называется:
A Действительная часть частотной передаточной функции;
B Мнимая часть частотной передаточной функции;
C График изменения во времени выходной величины системы, вызванного
подачей на ее вход единичного ступенчатого воздействия при нулевых
начальных условиях;
D График изменения во времени выходной величины системы, вызванного
подачей на ее вход единичного ступенчатого импульса;
E График изменения во времени выходной величины системы, вызванного
подачей на ее вход гармонического сигнала единичной амплитуды.
$$$
Совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств,
необходимых для реализации алгоритма взаимодействия различных
функциональных устройств, называется
A Интерфейсами;
B Устройствами связи УВМ с объектом;
C Микропроцессором;
D Устройством ввода-вывода;
E Памятью.
$$$
Алгоритм расчета мах ф-ии нескольких переменных является алгоритмом
нулевого порядка, если
A Используется только значения функции;
B Используются значение функции и ее первых производных;
C Используется только значение первой производной;
D Кроме значений функции и ее первых требуется значение вторых
производных;
E Используются только значения ворых производных.
$$$
Градиент, это
A Направление вектора;
B Вектор из первых производных;
C Вектор из вторых производных ;
D Значение функции в начальной точке;
169
E Векторы из первых и вотрых производных.
$$$
В алгоритме прямого поиска направление минимизации целевой функции f(x)
определяется
A На основании вычисления градиента функции;
B На основании вычисления 2-й производной;
C На основании последовательных вычислений целевой функции f(x);
D На основании случайного поиска min функции;
E На основании вычисления интеграла функции.
$$$
При постановке задачи нелинейного программирования число ограничений в
виде неравенств р, и число ограничений в виде равенств m может быть
A любым;
B m=p;
C m<p;
D m>p;
E p не более 3, m не более 5.
$$$
Возможность получения искомого результата за конечные число шагов
характеризует такое свойство алгоритма, как
A Определенность;
B Массовость;
C Результативность;
D Реализуемость;
E Быстродействие.
$$$
Для фильтра скользящего среднего параметрами настройки является:
A Период Т;
B Коэффициент усиления К;
C Постоянная времени Т0;
D Период Т и коэффициент усиления К;
E Такого фильтра не существует.
$$$
В алгоритмах одномерной оптимизации и интервала неопределенности [a,b]
разбивается m-равных частей и производится вычисление f(x) в m-1
равностоящих точках при использовании
A Алгоритма равномерного поиска;
B Метода дихотомии;
C Алгоритма золотого сечения;
D Данного решения в алгоритмах одномерной оптимизации нет;
E С использованием чисел Фибоначчи.
$$$
К алгоритмам спуска нулевого порядка используемых при выборе направления
спуска и длины шага вдоль этого направления в сторону min функции f(x)
относятся алгоритмы
170
A Покоординатного спуска;
B Градиентного спуска;
C Наискорейшего спуска;
D Ньютона-Рафсона;
E Овражный.
$$$
Определение: если на данный этап поиска определяется min квадратичной
функции f(x) вдоль каждого из p (p<n) сопряженных направлений делается шаг,
то полное перемещение от начала до р-го шага с сопряжено по всем
направлениям поиска
A Алгоритм прямого поиска;
B Алгоритм сопряженных направлений;
C Алгоритм Пауэлла;
D Алгоритм Котельникова;
E Другой ответ.
$$$
Метод внешних штрафных функций используется для решения задач
A Линейного программирования;
B Нелинейного программирования без ограничений;
C Нелинейного программирования с ограничениями;
D Программирование однополярной оптимизации;
E Математического программирования.
$$$
Два направления называются сопряженными, если выполняются условия
A (S t)T HSi = 0;
B (S t)T HSi > 0;
C (S t)T HSi = 0;
D 1 и 2 условия;
E Правильных условий нет.
$$$
Какое влияние оказывает запаздывание на качество регулирования
A Улучшает;
B Ухудшает;
C Не оказывает никакого влияния ;
D В зависимости от объекта регулирования улучшает;
E В зависимости от объекта регулирования ухудшает.
$$$
Какие типовые структуры регулирующих устройств не используются при
выборе закона регулирования
A Д;
B П;
C ПД;
D ПиД;
E Используются все выше перечисленные.
$$$
171
Замкнутая система автоматического регулирования будет обладать заданной
степенью колебательности в том случае, когда расширенная АФХ разомкнутой
системы проходит через точку
A (1:i0);
B (0:i0);
C (0:i1);
D не имеет значений;
E правильных ответов нет.
$$$
С увеличением величины интегрирования Т в И-регуляторе воздействие входной
величены регуляторов на выходную
A Ослабевает;
B Усиливает;
C Не изменяется;
D Усилится, если регулятор включить перед ОУ;
E Ослабевает, если регулятор включить после ОУ.
$$$
При выборе закона регулирования, приτ /Т0 <0,2 рекомендуется выбирать
A Пз – регулятор;
B непрерывный регулятор;
C каскадную систему регулирования;
D САР может работать без регулятора;
E Комбинированную систему регулирования.
$$$
Настройки П-регулятора
A Кр ;
B Кр, Ти ;
C Кр, Тд ;
D Ти;
E Тд.
$$$
Уравнение динамики П-регулятора имеет вид
A Y  kp X;
t
B Y  k p X  1 / Tu *  x p dt ;
0
t
C Y  k p X  1 / Tu *  x p dt  T
0
dx
;
dt
dx
;
dt
dx
E Y  Tд  k p X .
dt
D Y  Tд
$$$
Настройки ПИД-регулятора
172
A Кр ;
B Кр, Ти ;
C Кр, Тд ;
D Кр, Ти, Тд ;
E Тд .
$$$
Переходный процесс в АСР с Пз-регулятором имеет вид
A Апериодический;
B С 20% перерегулированием;
C Автоколебаний;
D Любого из перечисленных, в зависимости от свойств АСР;
E С 40% перерегулированием.
$$$
Способы улучшения качества работы АСР с Пз-регулятором
A Метод неполного притока и оттока;
B Уменьшение коэффициента усиления регулятора;
C Уменьшение периода колебаний;
D Уменьшение числа переключений;
E Увеличение числа переключений.
$$$
Каскадные АСР применяют, когда
A Запаздывание по основному и промежуточному каналу одинаково;
B Запаздывание по основному каналу больше чем по промежуточному;
C Запаздывание по основному каналу меньше чем по промежуточному;
D Каскадные АСР не применяют в выше перечисленных случаях;
E Большой коэффициент усиления объекта регулирования.
$$$
Комбинированные АСР применяют, когда
A Запаздывание по основному и промежуточному каналу одинаково;
B Запаздывание по основному каналу больше чем по промежуточному;
C Запаздывание по основному каналу меньше чем по промежуточному;
D Каскадные АСР не применяют в выше перечисленных случаях;
E Большой коэффициент усиления объекта регулирования.
$$$
Для обеспечения инвариантности комбинированной системы при подачи
корректирующего импульса на вход регулятора ф-я компенсатора имеет вид
A Rk ( p )  Wв( p ) / Wp ( p ) ;
B Rk ( p )  Wв( p ) / Wp ( p ) *Wp ( p ) ;
C Rk ( p )  Wo( p ) / Wв( p ) * Wp ( p ) ;
D Rk ( p )  Wв( p ) / Wp ( p ) ;
E В выше перечисленных нет.
$$$
173
Комбинированная АСР изображена на
A рис.1;
B рис.2 ;
C рис.3 ;
D рис.4 ;
E рис.3 и 4.
Х
У
О
У
У
ОУ
Р1
$$$
Р1
Р
Каскадная
АСР
изображена
на У0
2
Рис.1
A рис.1;
1
B рис.2;
C рис.3;
D рис.4;
E рис.3 и 4.
Р2
Х
Х
О
У
УОУ
Р2
Рис. 2
У0
Х
Р2
У
Р1
У
Р1
У0
ОУ
ОУ
У
Р1
Р2
У0
Р
У
0
2
Рис.1
$$$
Р1
Рис. 3 1
Устройство,
непосредственно осуществляющие
процесс
обработки данных в
Рис.
24
Рис.
У0
УВК называется:
A Устройство ввода-вывода;
Х
B Центральным процессором;
У
Р2
ОУ
Р2
Х
C Оперативной
памятью;
D Интерфейсом;
E Устройством связи УВМ с объектом.
Р1
У
$$$
ОУ
У0
У0
Устройства для приема и временного хранения информации в цифровой форме
называется
Р1
3
AРис.
Регистр;
Рис. 4
B ОЗУ;
C ПЗУ;
D ППЗУ;
E Интерфейс.
$$$
Максимальное количество данных, которые могут храниться в памяти,
называются
A Емкостью;
B Удельной емкостью;
C Физическим объемом;
D Внешним ЗУ;
E Оперативным ЗУ.
174
$$$
Интерфейс с радиальной структурой подключения модулей изображен на
A рис.1;
B рис.2 ;
C рис.3 ;
D рис.4 ;
E на рис. нет.
Контролерконцентрат
ор
А
Б
А
Б
Рис.1
1
Контролер
Контролерарбитр
А
Б
А
Б
А
Б
Рис.2
2
Контролерарбитр
АБ
АБ
Рис.3
А
Б
А
Б
Рис.4
4
А
Б
А
Б
$$$
33
Организация организованного управления, при котором УВК, воздействуя на Им
непосредственно осуществляет управление производственным процессом
называется:
A Прямым цифровым управлением;
B Синхронным управлением;
C Асинхронным управлением;
D Косвенным управлением;
E Другой ответ.
$$$
Функция АСУТП, направленная на регулирование отдельных технологических
переменных является
A Управляющий;
B Информационный;
C Информационно-управляющий;
D Вспомогательной;
E Регулирующей.
$$$
Интерфейс с магистральной структурой подключения модулей изображен на
A рис.1;
B рис.2;
C рис.3;
D рис.4;
175
E на рис. нет.
Контролерконцентрат
ор
А
Б
А
Б
Рис.1
1
Контролерарбитр
А
Б
А
Б
А
Б
Рис.2
22
Контролер
Контролерарбитр
АБ
АБ
А
Б
Рис.3
3
А
Б
Рис.4
4
А
Б
А
Б
$$$
Если энтропия объекта На = 0, то состояние объекта исследования заранее
определенно, при этом вероятность р
A р=1;
B р=0;
C р=1/n;
D 0<p<1;
E p=n.
$$$
Пропускная способность канала связи определяется
A Скоростью передачи информации R;
B Априорной энтропией Н1(А);
C Апостариой энтропией Н2(А);
D Всеми перечисленными величинами;
E Насыщенностью канала связи;
$$$
Операционная система, тестовая система, программные средства автоматизации
программирования – подсистемы, входящие в состав
A Общего программного обеспечения;
B Специального программного обеспечения;
C Информационного обеспечения;
D Задающей системы;
E Другой ответ.
$$$
Централизованная структура АСУТП изображена
A рис.1;
B рис.2;
C рис.3;
D рис.4;
176
E на рис. нет.
ТОУ
ТОУ
датчик
Исполнит.
механизм
датчик
Исполнит.
механизм
регулятор
УВМ
УВМ
Рис. 1
ТОУ
Рис. 2
ТОУ
датчик
Исполнит.
механизм
Исполнит.
механизм
регулятор
регулятор
УВМ
Рис. 4
Рис. 3
$$$
Наиболее быстрым способом передачи информации является:
A Обмен данными в режиме ПДП;
B Обмен в режиме прерывание программы;
C Обмен данными в режиме ПК;
D Съем информации с ОЗУ;
E Съем информации с ПЗУ.
$$$
Иерархическая структура АСУТП изображена
A рис.1;
B рис.2;
C рис.3;
D рис.4;
E на рис. нет.
177
ТОУ
ТОУ
датчик
Исполнит.
механизм
датчик
Исполнит.
механизм
регулятор
УВМ
УВМ
Рис. 1
ТОУ
Рис. 2
ТОУ
датчик
Исполнит.
механизм
Исполнит.
механизм
регулятор
регулятор
$$$
УВМ
Канал прямого доступа к памяти связывает
Рис. 4
Рис. 3 ввода-вывода с памятью;
A Устройства
B Центральный процессор с памятью;
C Устройства ввода-вывода с центральным процессором;
D Центральный процессор с ОЗУ;
E Центральный процессор с ПЗУ.
$$$
Регистр в котором размещены данные подлежащие обработке, называется
A Регистр команд;
B Регистр памяти;
C Аккумулятор;
D Регистр исполнительного адреса;
E Во всех перечисленных.
$$$
Синхронный обмен данными между ЦП и ВУ изображен на рис
A рис.1;
B рис.2;
C рис.3;
D рис.2 и 3;
E на рис. нет.
178
Команда i
Команда i
Команда
Ввода-вывода
Команда
Ввода-вывода
Микрокоманда i
НЕТ
прерывание
ДА
Ввод-вывод
Вы
готовы?
Подпрограмма
Ввода-вывода
Команда
i+2
Ввод-вывод
Микрокоманда i+2
Команда
i+2
Рис. 2
Рис. 1
Рис. 3
$$$
Укажите структурную схему несвязанного регулирования
A рис.1;
B рис.2;
C рис.3;
D рис.4;
E на рис. нет.
Х1
У0
Р
1
Р1
2
У0
Р
1
У1
Х2
У2
Р
1
Р2
1
Рис. 1
Р
2
Рис. 2
Р1
Р2
Рис.4
4
Рис.3
3
179
$$$
Укажите автономную структурную схему АСР
A рис.1;
B рис.2;
C рис.3;
D рис.4 ;
E на рис. нет.
Х1
У0
У0
Р
1
Р1
2
Р
1
У1
Х2
У2
Р
1
Р2
1
Рис. 1
Р
2
Рис. 2
Р1
Р2
Рис.4
$$$
Рис.3
4
3
Многосвязными
называют объекты
A Объекты с несколькими входами и выходами;
B Объект с перекрестными связями;
C Группу односвязных объектов;
D Объект с одним входом и несколькими выходами;
E Таких в вышеперечисленных нет.
$$$
Какое влияние оказывает увеличение коэффициента усиления П-регулятора на
статическую ошибку регулирования
A Увеличится;
B Уменьшится;
C Уменьшается в ОУ с большим запаздыванием;
D Увеличивается в ОУ с большим запаздыванием;
E Не оказывает.
$$$
Статическая погрешность регулирования меньше в АСР, использующей в
контуре регулирования
180
A П-регулятор;
B И-регулятор;
C Д-регулятор;
D Статическая погрешность не зависит от закона регулирования;
E Другой ответ.
$$$
Во взаимосвязанных САР объект можно рассматривать как односвязный, если
наименьший коэффициент связности Ксв равен
A Ксв=0;
B Ксв=1;
C 0<Ксв<1;
D Ксв>1;
E 1<Ксв<10.
$$$
К датчикам прерывания относятся
A Термопары;
B Расходомеры;
C Конечные выключатели;
D Датчики положений;
E Таких датчиков нет.
$$$
Рекомендации по выбору управляющих воздействий с учетом выбранного
критерия эффективности вырабатывается в АСУТП
A Информационных;
B Локально-автоматических;
C Советующих;
D Автоматических;
E Другой ответ.
$$$
При значительном влиянии регулируемого воздействия основной регулируемой
величины на другие технологические величины объекта используют типовые
переходные процессы
A Граничный апериодический;
B С 20% перерегулированием;
C С минимальной квадратичной площадью отклонений;
D Может быть использован любой из величин;
E Используют каскадную АСР.
$$$
Переходный процесс в АСР не зависит от
A Свойства химико-технологического объекта;
B Характеристики и величины возмущения выхода;
C Тип автоматического регулятора;
D Зависит от всех вышеперечисленных условий;
E Зависит от скорости протекания процесса.
$$$
181
Каскадной называют АСР
A Сочетающую обычный замкнутый контур и дополнительный канал
регулирования по возмущению;
B Двухконтурная АСР на базе двух стандартных регуляторов;
C Двухконтурная замкнутая АСР на базе двух стандартных регуляторов с
использованием дополнительного импульса;
D Две одноконтурных АСР с дополнительным регулированием по возмущению;
E Из вышеперечисленных нет.
$$$
Методы точного расчета настроек регуляторов в одноконтурной АСР
A Метод РЧХ;
B Метод Циглера-Никольса;
C Метод Симою;
D Метод Ньютона-Рафсона;
E Все вышеперечисленные методы.
$$$
Передаточная функция ПД регулятора
A W(p)=Kp;
B W(p)=1/ТиР;
C W(p)=Kp+ТдР;
D W(p)=1/ТиР;
E Другой ответ.
$$$
Какое влияние на амплитуду автоколебаний в АСР с Пз-регулятором оказывает
время запаздывания
A Увеличивается;
B Уменьшается;
C Не оказывает влияния;
D Увеличивается с уменьшением зоны нечувствительности ;
E Уменьшается с уменьшением зоны нечувствительности.
$$$
Как влияет на качество двухпозиционного регулирования уменьшение зоны не
чувствительности Пз-регулятора
A Увеличивает;
B Уменьшает;
C Не оказывает влияния;
D Зону не чувствительности уменьшить нельзя;
E Другой ответ.
$$$
Оптимальные значения настроечных параметров регулятора находят, используя
метод
A Организованного поиска;
B Расчетный метод;
C С помощью АВМ;
D С помощью ЭВМ;
182
E Используя все перечисленные методы.
$$$
Самый быстродействующий из регуляторов
A И-регулятор;
B П-регулятор;
C ПИ-регулятор;
D ПИД-регулятор;
E Все регуляторы по быстродействию одинаковы.
$$$
Регулятор, наиболее медленно реагирующий на изменение входной величины
A И-регулятор
B П-регулятор
C ПИ-регулятор
D ПИД-регулятор
E Все регуляторы по быстродействию одинаковы
$$$
При выборе закона регулирования в АСР руководствуются значением
отношения /Т0 , где Т0
A Регулируемая величина;
B Время разгона объекта;
C Постоянная времени объекта;
D Регулирующее воздействие;
E Время запаздывания.
$$$
Передаточная функция астатического объекта 1-го порядка с запаздыванием
A W ( p )  e  P / Tp;
B W ( p )  ke  P /(Tp  1);
C W ( p )  ke  P /[Tp (T0 p  1)];
D W ( p )  e  P /(Tp  1) 2 ;
E в выше перечисленных нет.
$$$
Передаточная функция статического объекта 1-го порядка с запаздыванием
имеет вид
A W ( p )  e  P / Tp;
B W ( p )  ke  P /(Tp  1);
C W ( p )  ke  P /[Tp (T0 p  1)];
D W ( p )  e  P /(Tp  1) 2 ;
E в выше перечисленных нет.
183
$$$
Какие из методов повышения качества регулирования используются в АСР
A Введение импульса по возмущению;
B Использование каскадной АСР;
C Введение динамической компенсации в системах взаимно связанного
регулятора;
D Используются все вышеперечисленные методы;
E Другой ответ.
$$$
Динамическая погрешность регулирования меньше в АСР, использующей в
контуре регулирования
A П-регулятор;
B И-регулятор;
C Значения погрешности не зависят от закона регулирования;
D Значения погрешности зависят от свойств объекта;
E Другой ответ.
$$$
Степень затухания переходного процесса это:
A Отклонение разности двух соседних амплитуд переходного процесса к первой
из них;
B Отклонение разности двух соседних амплитуд одного знака к первой из них;
C Отклонение разности двух соседних амплитуд переходного процесса ко
второй из них ;
D Отклонение разности двух соседних амплитуд переходного процесса к первой,
выраженное в процентах;
E Другой ответ.
$$$
Настройки ПИ-регулятора
A Кр, Ти;
B Кр, Тд;
C Кр, Ти, Тд;
D Ти, Тд;
E Тд.
$$$
Динамическая ошибка, статическая ошибка, время регулирования tp-величины,
характеризующие
A Свойства химико-технологического процесса;
B Вид переходного процесса;
C Качество переходного процесса;
D Максимальную величину воздействий;
E Разгонную характеристику объекта.
$$$
При выборе закона регулирования отношение 0,2< τ/T0<1 рекомендуется
выбирать
A Пз-регулятор;
184
B Непрерывный регулятор;
C Каскадную систему регулирования;
D АСР может работать без регулятора;
E Комбинированную АСР.
$$$
Средство, управляющее вводом-выводом и определяющее режим обмена,
реализованное центральным процессором, называется
A Каналом;
B Программным каналом;
C Каналом прямого доступа к памяти;
D Контроллером ввода-вывода;
E Интерфейсом.
185
186