И технологическими процессами. Автоматизированные системы управления производственными

Автоматизированные системы управления производственными

Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. – М.: ЛБЗ, 2001. – 616 с.

Дорф Р., Бишов Р. Современные системы управления. – М.: ЛБЗ, 2002. – 832 с.

Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. – СПб: Профессия, 2003. – 752 с.

Гальперин М.В. Автоматическое управление. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004.-224 с.

Теория автоматического управления/С.Е. Душин, Н.С. Зотов, Д.Х. Имаев и др.- М.: Высшая школа, 2005.- 567 с.

Теория автоматического управления/В.Н. Брюханов, М.Г. Косов, С.П. Протопопов и др. – М. Высшая школа, 2000. – 268 с.

Библиография

Что представляет собой диаграмма Боде?

Что такое корневой годограф?

Как располагаются корни характеристического уравнения га комплексных плоскостях при колебательном неустойчивом режиме?

Как располагаются корни характеристического уравнения га комплексных плоскостях при колебательном затухающем режиме?

Как располагаются корни характеристического уравнения га комплексных плоскостях при апериодическом режиме?

Как располагаются корни характеристического уравнения га комплексных плоскостях при релейном режиме?

Как отображается основная полоса с s – плоскости на z – плоскость?

Каково предназначение экстраполятора в цифровой схеме?

Что такое идеальный квантователь?

Что представляет собой единичная импульсная функция?

5.Какова реакция экстраполятора нулевого порядка на единичный импульс входного сигнала r(kT)=0?

3.Методы классической и современной теории автоматического управления. Т.3. Методы современной теории автоматического управления /Под ред. Н.Д. Егупова. – М.: МВТУ, 2000. – 748 с.

6.Ульянов В.А., Леушин И.О., Гущин В.Н. Технологические измерения, автоматика и управление в технических системах. Ч.1.- Н.Новгород: НГТУ, 2000. – 336 с.

7.Ульянов В.А., Леушин И.О., Гущин В.Н. Технологические измерения, автоматика и управление в технических системах. Ч.2.- Н.Новгород: НГТУ, 2002. – 417 с.

Раздел 3. Лекция 3. Управляющие вычислительные комплексы.

Особенности функционирования ЭВМ включенной в контур управления

Требования, предъявляемые к ЭВМ при использовании её в составе АСУ и при использовании её в вычислительном центре, существенно отличаются. При использовании ЭВМ на вычислительном центре решаемые задачи весьма разнообразны и обычно неизвестны заранее. Объём работы вычислительного центра обычно лимитируется производительностью машин, организацией прохождения работ и обслуживания программистов. Наиболее экономичны в этом случае технические решения, обеспечивающие минимальную удельную стоимость решения задач.

ЭВМ, специально предназначенные для контроля и управления технологическими процессами, называют управляющими вычислительными машинами (УВМ). УВМ представляют собой цифровые вычислительные устройства, составляющие часть АСУ или САУ, включающие в себя устройства связи с объектом и предназначенные для приёма информации от измерительных устройств, местных (локальных) автоматизированных систем, устройств защиты и блокировки, а также других источников информации; переработки информации по программе, определяемой заданным алгоритмом управления в реальном масштабе времени; выдача результатов обработки информации оператору на исполнительные устройства и в другие систему правления.

В АСУ ТП устройства связи УВМ с датчиками и ИУ чаще всего составляют большую часть электронного оборудования, иногда в несколько раз превосходящую оборудование УВМ. Номенклатура этих устройств, включающих все необходимые средства преобразования, коммутации, согласования, достаточно велика, а число их ф каждой АСУ ТП различно. Поэтому в состав УВК входят унифицированные схемно – конструктивные исполнения в виде агрегативных модулей.

Для работы в качестве центральной части АСУ любая УВМ должна иметь универсальную структуру и обладать некоторыми дополнительными техническими особенностями, связанными с автоматическим приёмом и обработкой информации, поступающей в процессе управления и выдачи управляющих воздействий непосредственно на ИУ ТОУ или оператору. В состав УВМ должны входить устройства, обеспечивающие её непосредственную связь с управляемым технологическим процессом, а также связь оператора с УВМ и технологическим процессом, а также связь оператора с УВМ и технологическим оборудованием для наблюдения за протеканием производственных процессов и при необходимости для вмешательства в процесс управления (рис.3.10).

УВМ работает с большим числом источником и потребителей информации, каждый из которых работает, как правило, асинхронно, т.е. информация от объектов управления и запросы на обслуживание поступают в произвольные моменты времени. Асинхронность поступления заявок приводит к тому, что в условиях ограниченного ресурса УВМ формируется очередь на обслуживание. Так как УВК работает в реальном масштабе времени, а информация в системе имеет различную ценность и достоверность, обслуживанием заявок УВМ является приоритетным. Высший приоритет даётся заявкам, которые должны быть отработаны не позднее чем за определённы интервал времени во избежание потери информации или аварии.

Рис.3.10.Упрощенная структурная схема АСУ

С целью приоритетного обслуживания заявок в УВМ организуется система прерываний, под которой следует понимать совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих переключение процессора с выполняемой программы на другую, имеющую более высокий приоритет, при этом сохраняется возможность возврата к прерванной программе. Прерывание может быть организовано как по внешним признакам, формируемым оператором или машиной, так и по внутренним признакам, большинство из которых формируется в результате контроля неисправности системы управления.

Любой алгоритм, предназначенный для использования в системе управления, должен разрабатываться с учётом того, что управляющие сигналы от УВМ должны поступать не только в нужное место, но и в ограниченные промежутки времени, определяемые скоростью протекания управляемого процесса. УВМ должна работать в темпе, задаваемом измеряемыми или технологический процесс, и органами управления, с которыми она связана и с которыми непрерывно взаимодействует, т.е. УВМ должна работать в реальном масштабе времени. Реальное время в УВМ учитывается таймером.

Обычно УВМ обслуживает одновременно много пользователей и решает много задач:

ü регистрирует поступающую от многочисленных датчиков измерительную информацию и обрабатывает её по соответствующим программам;

ü выдаёт управляющие сигналы на различные исполнительные устройства;

ü решает экономические и бухгалтерские задачи и т.п.

Такой режим работы называют режимом разделения времени. Для его организации УВМ должна иметь достаточно большие объёмы памяти и большое быстродействие. Режим разделения времени выгоден экономически, так как в этом случае резкого повышается эффективность использования УВМ за счёт обеспечения более полной её загрузки и лучшего использования ресурсов.

Разделение машинного времени в УВМ осуществляется программно; при этом одни и те же устройства системы представляются всем пользователям в соответствии с установленным приоритетом. В этом случае за счёт быстрого решения задач по запросам пользователей у них создаётся впечатление, что они могут работать с ЭВМ одновременно.

Для реализации программного разделения времени в УВМ должна быть предусмотрена возможность при необходимости прерывания текущей программы. При поступлении срочного запроса (указания оператора, сигналов от датчиков или выработанных самой УВМ) машина временно прерывает работу, запоминая место текущей программы, где произошло прерывание, и переходит к выполнению другой программы, соответствующей срочному запросы. После того как запрашиваемая программа выполнена и других заявок нет, УВМ возвращается к прерванной текущей программе. Технические средства УВМ, работающей в режиме разделения времени, должны обеспечивать одновременное хранение в памяти нескольких программ допускать параллельную работу процессора и внешних устройств; организацию прерывания программ, а её программное обеспечение – планировать порядок выполнения задач; распределять ресурсы УВМ; производить защиту памяти от несанкционированного вмешательства одной задачи в другую при их параллельной работе и выполнять некоторые другие функции.

Требования, предъявляемые к УВМ, работающей в контуре управления, по надёжности определяются необходимой надёжностью системы в целом, исходя из цены отказа того или иного компонента АСУ.

Структурная организация УВМ

Расширение сферы применения ЭВМ и в особенности использования её в АСУ ТП (для обработки информации в области управления, планирования, учёта и т.п.) привели к включению в состав машины большого комплекса разнообразных периферийных (внешних) устройств для ввода информации, её запоминания и хранения, регистрации и отображения. Конкретные условия применения предъявляют различные требования в отношении состава периферийных устройств, а также объёмов оперативной и внешней памяти, числа каналов прерывания и т.п.

Это привело к тому, что при создании вычислительной техники концепцию «вычислительной машины с фиксированным составом оборудования», где главное место занимало само устройство обработки информации, сменила концепция «агрегатированный вычислительной системы с переменным составом оборудования», который определяется функциями, выполняемыми системой. При таком подходе отдельные функциональные устройства выполняют в виде агрегатов, которые в нужной номенклатуре и количестве объединяют в вычислительную систему.

Сложность современных вычислительных систем привела к понятию «архитектура вычислительной системы» (или логическая организация системы), охватывающей комплекс вопросов её построения, существенных в первую очередь для потребителя, интересующегося главным образом возможностями системы, а не деталями её технического использования.

Существенное место в агрегатированных вычислительных системах занимают специальные устройства – унифицированные каналы обмена информацией, допускающие подключения в нужном количестве периферийных устройств. Заложенный агрегатный принцип в УВМ позволяют компоновать путём проектирования достаточно гибкую по структуре и функциональным возможностям УВК, удовлетворяющую требованиям потребителя, изменять систему в процессе её эксплуатации при расширении или изменении решаемых задач, модернизировать систему.

Для реализации информационных и управляющих функций в АСУ ТП в УВК должны входить:

ü процессор – устройство, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием агрегатов вычислительной системы;

ü наращиваемые постоянные и оперативные запоминающие устройства для хранения информации, программ управления и т.п.;

ü возможность работы с накопителями большой ёмкости и обмена с УВМ других классов;

ü набор агрегатных модулей с развитой системой ввода – вывода;

ü развитая система приоритетного прерывания программ, позволяющая совмещать выполнение операций ввода-вывода со счётом;

ü счётчик реального времени (таймер);

ü развитая система аппаратно-программного контроля;

ü развитая система команд, обеспечивающая удобство в программировании;

ü аппаратно-программные средства для выполнения арифметических операций с относительно высокой точностью и высокой производительностью по выполнению операций ввода-вывода и логических операций.

На рис.3.11 изображена общая структурная схема системы связи УВМ с объектом управления. Всю номенклатуру агрегатных модулей УВМ условно можно разделить на следующие группы: агрегатные модули для компоновки управляющего вычислительного комплекса (УВК); агрегатные модели для связи с объектом управления; устройства ввода-вывода и внешней памяти.

Под вычислительным комплексом понимают группу соединённых между собой агрегатных модулей, которая выполняет по программе приём, арифметическую и логическую обработку, хранение и выдачу информации. Вычислительный комплекс является обязательной составной частью любой вычислительной системы.

Обмен информацией между отдельными устройствами УВК осуществляется посредством интерфейсов. Интерфейсы системы связи рассчитаны на выполнение по командам обмена данными между устройствами в цифровой форме и содержат для этого необходимый состав целей.

Рис.3.11.Общая структура системы связи УВМ с объектом управления

Под интерфейсом понимают совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритма взаимодействия различных блоков в автоматизированных системах обработки информации и управления, при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных блоков.

В систему связи УВМ с ТОУ входят два интерфейса: стандарты В ввода – вывода и внутренний П, обслуживающий процессор УВМ. Управление работой интерфейса В, к которому подсоединены все устройства связи УВМ с ТОУ, осуществляет канал ввода – вывода. Интерфейс П обеспечивает обмен информацией между процессором, оперативной памятью и каналом ввода –вывода.

У интерфейсу П подсоединены блок внешних прерываний процессора по сигналам от датчика АСУ ТП и таймер, формирующий сигналы для организации циклов обработки информации и управления объектом. Функциональная схема УВК приведена на рис.3.12. Все источники и потребители информации в АСУ ТП подразделяются на пассивные, работа которых инициируется процессором, и инициативные, которые по собственной инициативе на основании анализа состояния технологического процесса и технических средств, включая УВК, выставляют запрос на необходимые им ресурсы АСУ ТП. Признак пассивности или инициативности устройства задаётся при генерации операционной системы УВК. В связи с этим в УВК реализуются обмены программно – управляемый без прерывания, программно – управляемый в режиме прерывания, в режиме прямого доступа к памяти. Каждый из режимов обмена имеет характерные особенности и отличается временем доступа.

Рис.3.12.Функциональная схема УВК: АЦП- аналого-цифровой преобразователь; КСВУ – коммутатор сигналов высокого уровня; КСНУ – коммутатор сигналов низкого уровня

Реализация обмена в УВК осуществляется каналом ввода-вывода, который всегда можно рассматривать как обособленное логическое устройство управления обменом. В УВК, как правило, реализуется так называемый встроенный канал, в котором функции канала распределены между процессором, контроллерами периферийных устройств и специализированными схемами. В современных УВК обмен выполняется специализированным устройством, которое называют контроллером или каналом прямого доступа к памяти. Два других вида обмена реализуются процессором, контроллерами периферийных устройств и специализированными устройствами, сложность которых зависит от типа УВК. Последнее обусловлено тем, что УВК в АСУ ТП, как правило, не выполняет сложных вычислений с высокой точностью, а является периферийно ориентированной ЭВМ, архитектура которой ориентирована на реализацию интенсивного обмена.

Рассматривая канал как элемент системы управления, необходимо ответить, что канал характеризуется временем доступа , которое зависит от режима обмена и состояний управляемого процесса. В АСУ ТП последовательность выполнения задач и период их решения зависит от множества факторов и не является постоянным. Только в частном случае, например при прямом цифровом управлении задачи и период их решения могут быть заданными и не изменяющимися в процессе нормальной работы. Решение задач с переменным периодом дискретности зависит от состояния управляемого процесса загрузки и состояния технических средств, и является характерной особенностью АСУ ТП, которую нужно учитывать при проектировании.

Система датчиков измеряет аналоговые и дискретные сигналы.

Аналоговый сигнал – сигнал, информационные параметры которого могут принимать в определённых пределах любые значения. Дискретный сигнал, информационные параметры которого могут принимать только некоторые из конечной совокупности значений. Цифровой сигнал – дискретный сигнал, в котором значения параметра соответствуют определённые кодовые слова, образующие последовательность знаков.

Подсистема аналогового ввода. Аналоговые подсистемы значительно различаются по составу и конфигурации. Однако входящие в них технические средства обычно можно классифицировать по выполненным функциям.

Переходное устройство. Сигналы датчиков передаются на аналоговые входы по одиночным проводам или по парам проводов, которые могут быть экранированы. При однопроводной передаче цепь сигнала оканчивается линей общего заземления, обслуживающей несколько датчиков. Сигнальные провода должны оканчиваться в точке сопряжения с аналоговой подсистемой. Переходными устройствами, предназначенными для этой цели, могут служить клеммные колодки, кабельные разъёмные или специальное оборудование для каждого типа сигнала.

Нормализация сигнала, т.е. модификация сигнала, связана с фильтрацией, ослаблением, смещением уровня, линейной или нелинейной компенсацией и преобразованием тока в напряжение.

Коммутация. Коммутатор состоит из электронного или электромеханического переключателя, последовательно подключающего каждый отдельный вход. Переключатели управляются УВМ или специальными логическими схемами при посылке входных сигналов в АЦП. Таким образом, один АЦП может одновременно обслуживать несколько входных сигналов. Коммутация осуществляется до или после усиления.

Усиление. Многие сигналы датчиков являются сигналами низкого уровня, а большинство АЦП работает в диапазоне 5 или 10 В. Поэтому усиление сигналов низкого уровня необходимо, если необходимо эффективно использовать разрешающую способность АЦП. Обычно коэффициент усиления по напряжению колеблется от 100 до 1000. Коэффициент усиления может может быть зафиксирован конструктивно либо выбран с помощью ручного переключателя или программы УВМ. Значение коэффициента может также регулироваться автоматически по специальной функции.

Аналого-цифровое преобразование. Задача АЦП – обеспечить цифровое представление аналогового сигнала. Скорость преобразований колеблется от единиц до миллионов преобразований в секунду. Значения аналогового сигнала регулярно считываются и путём квантования преобразуются в цифровой сигнал, который поступает на ЭВМ в виде числовой последовательности или последовательности импульсов.

АЦП устанавливает соответствие между входным аналоговым сигналом (обычно напряжением) и выходным двоичным кодом. Входной сигнал может принимать неограниченное число значений в пределах диапазона изменения от до . Число различных значений цифрового кода определяется разновидностью преобразователя и ограничено величиной 2 ^п, где п – число разрядов. Основные методы АЦП6 последовательного счёта; поразрядного уравновешивания.

С момента поступления сигнала счётчик подсчитывает тактовые импульсы до тех пор, пока аналоговый эквивалент двоичного кода – сигнал не превысит величину . В этот момент, выявляемый компаратором, поступление тактовых импульсов на счётчика может быть считан как результат преобразования. После сброса счётчика в нуль и появления нового стартового сигнала процесс возобновляется. Время преобразования АЦП такого является переменным и зависит от уровня входного сигнала: , где п – разрядность; - период следования тактовых импульсов.

В преобразователе поразрядного уравновешивания вместо счётчика используют сдвиговый регистр, режим которого зависит от специальной управляющей логической схемы. В процессе преобразования в регистр, начиная со старшего разряда, заносятся единицы, после чего схема на основании информации с компаратора либо сохраняет эту единицу в данном разряде, либо стирает её. После этого процесс повторяется, но уже со следующим разрядом регистра. Время преобразования в таком АЦП всегда одинаково и определяется разрядностью преобразования: .

Аналоговые сигналы могут быть сигналами низкого и высокого уровня. Аналоговые и дискретными датчики могут быть при решении одних задач пассивными, а при решении других – инициативными. Характеристики измеряемого сигнала и признак инициативности определяют совокупность устройств и алгоритм преобразования измеряемого сигнала в машинное слово.

Преобразование аналогового сигнала в машинное слово включает в себя совокупность операций, которая образуется из операций нормализации, фильтрации, коммутации, аналого-цифрового преобразования и записи полученного кода в буферный регистр. Каждая из операций характеризуется временем преобразования и точностью выполнения . Время выполнения рассматривается как запаздывание. В зависимости от решаемых задач координаты рассматриваются либо как обобщённые характеристики тракта преобразования, либо учитывается влияние каждой из составляющих этих координат.

Аналогичными показателями характеризуется и тракт ввода дискретных сигналов. Алгоритм преобразования дискретного сигнала включает в себя операцию функционального преобразования информационного параметра кода датчика в машинное слово. Каждому инициативному источнику (потребителю) информации противопоставляется, кроме того, приоритет Р, характеризующий в каждый заданный момент времени важность источника или потребителя информации в системе. Таким образом, каждому источнику информации противопоставляются в АСУ ТП следующие параметры: точность преобразования; - время преобразования; Р – относительный приоритет.

Все эти параметры являются обобщёнными и зависят от используемых технических средств и алгоритмов преобразования. Выбор технических средств и алгоритмов преобразования определяется измеряемым сигналом и характеристиками используемого датчика.

Подсистема цифрового ввода. Основная функция подсистемы цифрового ввода УВМ – восприятие событий, возникающих в технологическом (производственном) процессе или в оборудовании, связанном с управляющим вычислительным комплексом. Обычно эти события имеют характер «да - нет» или же преобразуются в двоичный код с помощью соответствующих устройств. С функциями подсистемы цифрового ввода связаны две основные характеристики: форма входного сигнала (в виде напряжения, силы тока или изменения сопротивления) и параметр сигнала, представляющий интерес при контроле состояния процесса (наличие сигнала, его длительность или число событий, возникающих за определенный период времени). Поэтому для выполнения своей основной функции подсистема должна содержать большое число разнообразных модулей, воспринимающих сигналы различной формы, связанные с двоичными параметрами производственного процесса.

Рис.3.13. Конфигурация подсистемы цифрового входа: ВС – воспринимающая схема; Н - нормализатор

На рис.3.13 показана общая конфигурация и основные элементы подсистемы цифрового ввода. Связь подсистемы с процессором осуществляется непосредственно или с помощью интерфейсов. Устройство управления обеспечивает поддержание связи между подсистемой и процессором. Оно выполняет также декодирование адресов и другие функции, связанные с восприятием цифровых сигналов. Для снижения вычислительной нагрузки процессора на устройство управления может быть изложена задача осуществления специальных функций, таких, как сравнение, организация прерывания и др.

Для подсчёта многократно повторяющихся событий требуется счётчик. Число двоичных разрядов счётчика равно разрядности процессора, Например, при 16-разрядном процессоре ёмкость счётчика равна 2¹⁶.

При необходимости получения реакции на поступление одиночных или многоразрядных кодовых комбинаций применяют запоминающий регистр для временного хранения получения данных. Число двоичных разрядов регистра равно разрядности процессора. Например, при 16-разрядном процессоре объём регистра составляет 16 бит.

Сопряжение между сигналами от объекта и логическими сигналами, необходимыми для управления состояниями регистра или счётчика, заключается в изменении уровня сигналов и (или) их преобразования. Входные сигналы, представляющие состояние объекта, чаще всего имеют вид уровня напряжения, силы тока или положения контакта выключателя. Однако воспринимающие схемы обычно рассчитаны на напряжение. Преобразование силы тока в напряжение можно осуществить с помощью шунтирующего резистора. Аналогично для преобразования сигнала, представленного состоянием контакта, в напряжение последовательно с контактом включают источник напряжения и резистор ограничения силы тока.

Воспринимающая схема представляет собой пороговое устройство, уровень выходного сигнала которого соответствуют получаемый от технологического процесса сигнал, представленный в виде напряжения, силы тока или положения контакта, в логический сигнал, совместимый с логическими схемами УВМ. Этот логический сигнал используют для управления состоянием одного разряда регистра или для управления счётчиком. Под управлением программы УВМ слово, представляемое состоянием разрядов регистра или счётчика, передаётся в УВМ для дальнейшей обработки.

Подсистема цифрового вывода. Основным назначением цифрового вывода является выработка цифровых управляющих сигналов и действий, которые будут использоваться технологическим оборудованием, имеющим по природе своей характер «ключа». Особенности, подсистемы цифрового вывода, связанные с конкретной УВМ, определяются, прежде всего, формой и основными характеристиками выходного сигнала. Выходом могут служить сигнал силы тока или напряжения, срабатывание полупроводникового реле. Управление выходным сигналом или воздействием может осуществляться либо программой, либо после запуска логическими схемами подсистемы. Например, подсистема может удерживать контакт в замкнутом состоянии в течение заданного интервала времени, либо замыкать контакт заданное число раз или вырабатывать на выходе заданное число импульсов напряжения.

Основная функция цифрового вывода – функция ключа, который может управлять источником напряжения или тока с целью передачи в нагрузку сигнала в виде уровня напряжения или силы тока. Обычно напряжение, управляемое устройствами цифрового выхода, совместимо со стандартными уровнями сигналов логических схем. Эти выходные сигналы часто используют для управления процессом или технологическим оборудованием, воспринимающим стандартные логические уровни сигналов.

На рис.3.14 показана общая организация подсистемы цифрового вывода. Подсистема непосредственно соединена с процессором или интерфейсом. В последнем случае устройство логического управления обеспечивает также декодирование адреса и кода операции, синхронизацию и другие функции управления, например определение длительности выходных импульсов.