Средства автоматизации и управления конспект лекций

Обновлено: 03.07.2024

Введение. Информационное обеспечение АСУ.
1. Основы теории автоматического управления.
Введение. Основные понятия и определения теории автоматического управления (ТАУ). Классификация систем автоматического управления (САУ). Функциональная схема систем автоматического регулирования (САР). Уравнения и передаточные функции элементов и систем автоматического управления. Типовые возмущающие функции. Элементарные типовые динамические звенья. Передаточные функции соединений звеньев. Устойчивость систем автоматического регулирования. Классификация объектов автоматического управления. Основные свойства объектов автоматического управления мясной и молочной промышленности. Типовые законы регулирования. Параметры настройки регуляторов. Классификация автоматических регуляторов.
2. Измерения и измерительные устройства.
Основные понятия об измерениях и измерительных устройствах. Погрешности средств измерений. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Приборы для измерения электрических величин. Измерение общетехнических параметров. Измерение состава и свойств веществ. Газоанализаторы.
3. Регулирующие и управляющие устройства.
Регуляторы. Устройства дискретной автоматики. Релейно-контактные устройства. Исполнительные устройства.
4. Микропроцессорная техника в системах управления технологическими процессами. Общие сведения. Понятия и определения. Программируемые логические контроллеры и программно-технические комплексы. Общие понятия о промышленных сетях. Системы регистрации параметров технологических процессов.
5. Автоматизированные системы управления технологическими процессами.
Классификация АСУТП. Функциональная схема АСУпредприятия. Автоматизированное рабочее место (АРМ). Функции SCADA-системы. Проектирование АСУТП.

Вложение	Размер
vvvedenie._informatsionnoe_obespechenie_asu.doc	135.5 КБ

Предварительный просмотр:

Введение. Информационное обеспечение АСУ

Информационные технологии — совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств, объединенных в единую технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации Для снижения трудоемкости процессов, использования информационного ресурса, повышения надежности и оперативности работы оборудования и т. п.

Использование информационных критериев позволяет анализировать и оценивать вероятностными методами погрешности измерений в статических и динамических режимах, качество многоканальных измерительных систем, надежность измерительных устройств, решать задачи по поиску неисправности в них, а также ряд других вопросов, связанных с восприятием, преобразованием и выдачей измерительной информации применительно к измерительному устройству или системе любого вида.

Всю сформированную информацию можно разделить на входную, выходную и промежуточную.

К выходной информации относится информация, получаемая как результат решения задач управления, предназначенная для непосредственного использования в формировании управляющего воздействия.

Промежуточная информация содержит результаты решения промежуточных задач (например, результаты состояния полуфабрикатов), используемые в качестве исходных данных при решении задач управления.

По способу обработки данных информация подразделяется на текстовую, алфавитную, цифровую, алфавитно-цифровую и графическую. Большое значение при машинной обработке информации имеет ее разделение по стабильности на переменную и постоянную.

Переменная информация отображает количественные и качественные характеристики производственных процессов и событий. Переменная информация для каждого фиксируемого технологического процесса может изменяться как по значениям параметров данных, так и по их количественной величине. Переменная информация, как правило, участвует в одном цикле обработки сырья, в связи с чем ее иногда называют разовой.

Постоянная информация остается неизменной в течение длительного периода времени и многократно используется в операциях.

В условиях функционирования систем управления постоянная информация должна быть записана на машинном носителе. Это позволит создавать постоянно действующие массивы (банк) данных, участвующие в решении многих задач управления.

При обработке на компьютерах нормативно-справочной информации необходимо, чтобы в различных формах документов повторяемость одних и тех же данных была минимальной, зафиксированные данные были удобно расположены для последующей машинной обработки; кроме данных для машинной обработки содержалась дополнительная информация, необходимая для осуществления управления технологическим процессом.

Любая система управления, в том числе и автоматизированная, не может работать без информации о состоянии управляемого объекта (процесса) и внешней среды, без передачи информации о сформированных управляющих воздействиях. Определение оптимальных объемов информации, поступающей в различные устройства управления и распределения потоков информации во времени и пространстве, — необходимое условие эффективного функционирования АСУ.

Непрерывное и своевременное обеспечение системы управления всеми необходимыми сведениями — основная функция информационного обеспечения.

Информационное обеспечение АСУ — совокупность единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, унифицированных систем документации и массивов информации, используемых в автоматизированных системах управления (ГОСТ 19675-74).

Иными словами, информационное обеспечение АСУ представляет собой совокупность данных, языковых средств их описания, методов организации, хранения, накопления и доступа к информационным массивам, обеспечивающих выдачу всей информации, необходимой в процессе реализации функциональных задач АСУ, и справочной информации абонентам системы.

Сформированные данные систематизируют в специальные массивы — информационную базу (базу данных) системы.

Поступающие в систему текущие сведения часто называют оперативной информацией.

Контролируют входные данные и ведение информационной базы программные средства, Под ведением информационной базы (массивов информации) понимают обеспечение хранения, накопления данных, своевременного исключения устаревших данных, внесения и контроля изменений. При организации хранения, внесения изменений и дополнений в массивы, обеспечения доступа к массивам данных, контроля за их сохранностью используют организационные принципы.

Существенный эффект от использования микропроцессорной техники в АСУ получают в основном не только за счет решения оптимальных задач, но и при четкой организации системы обработки данных, за счет упорядочения информации и представления всех необходимых сведений в требуемые сроки и удобной для использования форме.

Следует помнить, что при проектировании информационного обеспечения время представления информации является решающим фактором. Существуют критические сроки, по истечении которых сведения полностью теряют какую-либо ценность.

В связи с совершенствованием и развитием систем управления важную роль играет гибкость системы, возможность перестройки информационных потоков согласно требованиям системы управления. Анализ эксплуатации ряда систем показывает, что информационная система наиболее консервативна, обладает большей инерционностью, чем система управления, и это свойство необходимо учитывать при разработке информационного обеспечения.

Основное назначение информационного обеспечения — создание динамической информационной модели объекта, отражающей его состояние в текущий или предшествующий моменты времени.

Согласно назначению сформулируем основные требования к информационному обеспечению АСУ:

полнота отображения состояний управляемой системы и достоверности информации, как необходимой для реализации задач АСУ, так и выдаваемой по запросам абонентов;
высокая эффективность методов и средств сбора, хранения, накопления, обновления, поиска и выдачи данных;
одноразовая регистрация и однократный ввод информации и ее многократное и многоцелевое использование;
простота и удобство доступа к данным информационной базы;
ввод и накопление данных в информационной базе с минимумом дублирования;
развитие информационного обеспечения путем наращивания данных и организации новых связей и проектирования более совершенных методов и способов обработки информации;
регламентация доступа к данным с различным уровнем доступа, а также регламентация времени хранения документированной информации.

Основные элементы системы информационного обеспечения АСУ — информационные массивы, предназначенные для постоянного или временного хранения информации, которой обмениваются между собой внешние и внутренние по отношению к системе источники и потребители информации.

Необходимость в организации информационных массивов в системах информационного обеспечения АСУ обусловлена многими факторами: несовпадением моментов поступления информации с моментами ее потребления; необходимостью хранения исходной информации, промежуточных и окончательных результатов в процессе исполнения программ и других процедур преобразования информации; использованием одних и тех же данных в различных процедурах, выполняемых как параллельно, так и последовательно; многократным длительным использованием некоторых данных различными процедурами.

Массив представляет собой совокупность данных, объединенных единым смысловым содержанием, которое обычно отражается в его названии. Основными элементами массивов, определяющими их содержание, являются записи — наименьшие элементы массива, которыми оперируют пользователи массива при обработке информации. Часто группы отдельных записей объединяют в более крупные — блоки. Наименьший элемент записи, имеющий единое смысловое значение, — информационное поле.

При построении систем управления циркулирующую на предприятии информацию необходимо рассматривать, во-первых, точки зрения ее практической полезности и ценности для пользователей информации и АСУ в целях принятия решения, во-вторых, с точки зрения смысловой взаимосвязи между информационными процессами.

Первое позволяет установить необходимую и достаточную для пользователей информацию и на этой основе решить технические вопросы — осуществить выбор необходимых вычислительных средств по переработке, хранению, передаче информации Я каналы связи систем управления для выработки управляющий воздействий по обеспечению производства качественной продукции.

Второе позволяет раскрыть содержание информации, отражающее состояние объекта, вскрыть отношения между знаками и символами, их предметными смысловыми значениями и выбрать смысловые единицы измерения (критерии) технологической им формации, провести классификацию показателей объектов, дать систему взаимосвязанных кодов, обеспечивающих эффективную работу систем управления технологическими процессами. Смысловой аспект технологической информации способствуя наиболее полному выяснению, изучению состояния технологических процессов, явлений, данных в целях обоснованного принятия, выработки управляющих решений и воздействий для обеспечения производства продукции стандартного качества.

Основным видом информации о состоянии объекта управления в АСУТП являются текущие значения технологических параметров, которые преобразуются автоматическими измерительными устройствами в сигналы измерительной информации. После приведения к стандартной форме эти сигналы вводятся в программно-технический комплекс (ПТК) и представляют в нем значения соответствующих параметров в данный момент времени.

Сформированный таким образом массив исходной информации не пригоден для непосредственного использования при решении задач управления, так как необходима его предварительная обработка, которую называют первичной. Для этого следует рассмотреть последовательность необходимых преобразований, которым подвергается измеряемая величина в типовом устройстве связи с объектом (УСО), его схема представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема УСО:

1—первичный измерительный преобразователь (датчик); 2— коммутатор; 3— аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Измеряемая величина x(t), которая обычно является стационарной случайной функцией времени, воздействует на вход измерительного преобразователя (ИП), на выходе которого формируется сигнал измерительной информации y(t). Принцип действия большинства ИП таков, что их выходной сигнал зависит не только от значения измеряемой величины, но и от ряда других величин Zj которые являются влияющими.

Например, термоэлектрический преобразователь температуры (ТПТ) преобразует измеряемую величину — температуру — в сигнал измерительной информации — ЭДС. Однако этот сигнал зависит не только от величины измеряемой температуры, которая воспринимается рабочим спаем, но и от температуры свободных спаев, которая в этом случае является влияющей величиной.

В общем случае без учета динамической характеристики ИП связь между сигналами на его входе и выходе описывается статической характеристикой вида

где f— непрерывная и дифференцируемая по всем аргументам; z - вектор влияющих величин.

Однозначное соответствие между сигналами измерительной информации и измеряемой величиной обеспечивается только при постоянных значениях влияющих величин. Для каждого ИП эти номинальные значения z° j указывают в его паспорте. Подставив их в уравнение (1), получим номинальную (паспортную) статическую характеристику ИП

Можно считать, что в процессе работы ИП значения влияющих величин соответствуют номинальным; следовательно, преобразование значений измеряемой величины в сигнал измерительной информации выполняется в соответствии с паспортной статической характеристикой (2). Однако и при выполнении этого условия всякий реальный ИП вносит в результаты некоторую погрешность.

На рис. 1 погрешность представлена в виде случайной функции времени е (t), которая накладывается на полезный сигнал Y(t) измерительной информации. Помеха е (t) моделирует не только случайную погрешность ИП, но и электрические наводки в соединительных проводах, обусловленные магнитными полями электросилового оборудования, влияние пульсации давления и расхода жидкости в технологических трубопроводах вследствие работы насосов и компрессоров и другие факторы Так как АСУТП имеет некоторое множество УСО, их обслуживание разделено во времени, каждый канал периодически с периодом t 0 подключается на короткое время ко входу УВК. В результате непрерывная функция g(t) преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по амплитуде функций g(t). На схеме УСО (см. рис. 1) функцию квантования сигнала g(t) по времени выполняет коммутатор (2), условно изображенный в виде ключа, замыкаемого с периодом t o .

Современные компьютеры как правило, используют двоичный код и оперируют с числами имеющими 16,32 или 64 разряда.

Основные задачи первичной обработки информации в АСУТП:

1) фильтрация сигнала измерительной информации от случайной помехи (погрешности) е (t);

2) восстановление значения измеряемой величины x(t) по сигналу измерительной информации y(t);

п о к а з а т е л е й , р е ш а ю тся с т ра т ег и ч ес к ие ад м ин и ст р ат и вн ые и л ог и ст ич е с ки е за да ч и .

производством) – з ад а ч и у п р а в ле ни я к а ч е с т в о м пр одукци и, пл ани ров ания и конт ро-

произв одств енными и л ю д ск им и ре су р с а м и в р а м к а х т е хн о л о г и че с к о г о п р о це с с а,

Направление: 651900 Автоматизация и управление.
Специальность: 210100 Управление и информатика в технических системах.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ 4

Основные понятия и определения 4

Функции автоматизированных систем управления и требования к ним 4

Автоматическое управление 6

Пример — регулятор температуры 7

1.3. Требования к промышленным системам управления 8

1.4. Совместимость средств автоматизации. 8

2.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ИП), ДАТЧИКИ 11

2.1. Бинарные и цифровые измерительные устройства 11

Датчики положения 12

Пороговые датчики 13

Индикаторы уровня 14

Цифровые и информационно-цифровые датчики 14

Пример - Датчики положения вала 14

2.2. Аналоговые измерительные устройства 15

Датчики движения 15

Пример - Резольвер 16

Пример - Тахометр 17

Датчики силы, момента 18

Измерительные преобразователи давления 18

Датчики приближения 19

Измерительные преобразователи температуры 20

Термоэлектрические преобразователи (термопары) 20

Резистивный детектор температуры 23

Манометрический способ измерения температуры. 25

Измерение расхода 25

Измерение объемного расхода 25

Измерение массового расхода 29

Измерительные преобразователи уровня. 29

Химические и биохимические измерения 30

2.3. Структурные схемы измерительных преобразователей (ИП). 31

2.4. Метрологические характеристики ИП. 32

Статические характеристики ИП 32

Динамические характеристики ИП. 35

2.5. Линии связи измерительных устройств 36

Четырехпроводная линия связи. 36

Трехпроводная линия связи. 37

Двухпроводная линия связи. 38

Преимущества и недостатки линии связи с токовыми сигналами и сигналами напряжения. 39

Особенности подключения потребителей к линиям связи. 41

Линия связи по напряжению. 41

Токовая линия связи. 41

Комбинированные линии связи. 42

2.6. Нормирующие преобразователи 42

Преобразователь сигналов резистивных датчиков в стандартный токовый сигнал БУС-10. 42

Преобразователь малых постоянных напряжений в стандартный токовый сигнал (БУТ). 44

2.9. Устройства, обеспечивающие работу датчиков во взрывоопасных помещениях 44

П288 – преобразователь измерительный, двухпроводный. 44

Барьер искрозащиты. 45

Блок питания датчиков – EХ. 45

Заключение для раздела ИП. 46

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ. 47

3.1. Рекомендуемый стандарт RS-232 48

3.2. Рекомендуемый стандарт RS-422 49

3.3. Рекомендуемый стандарт RS-485 50

Принцип работы сети RS485 52

4. УСТРОЙСТВА СВЯЗИ С ОБЪЕКТОМ 52

4.1. На примере модулей фирмы GRAYHILL. 52

Дискретные модули УСО. 53

4.2. УСО на примере устройств серии ADAM4000. 55

Модуль аналогового ввода на примере ADAM4012. 55

Модуль дискретного ввода-вывода. 56

Модули коммуникационной связи. 56

5. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ. 58

5.1. Классификация регуляторов 58

Позиционные регуляторы. 59

Самонастраивающееся управление 60

5.2. Выбор типа регулятора 61

6. ИЗМЕРИТЕЛИ-РЕГУЛЯТОРЫ 63

6.1. Измерители-регуляторы на примере ТРМ-1, 2ТРМ-1 63

6.2. Измеритель-ПИД-регулятор ТРМ-10 64

6.3. ПИД-регулятор с универсальным входом ТРМ-101 65

7. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ. 67

7.1. Ремиконт Р130. 67

Модуль аналоговых сигнала (МАС). 69

Модуль сигналов дискретный (МСД). 70

Модуль стабилизированного напряжения (МСН). 71

Сетевое подключение Р130. 72

Программирование Ремиконта Р-130 73

8. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ 78

Усилители с ШИМ 78

Пример - Преобразователь частоты для асинхронных двигателей. 80

9. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 82

9.1. Шаговые двигатели 83

9.2. Двигатели постоянного тока 84

9.3. Асинхронные и синхронные двигатели 84

9.4. Управляющие клапаны 85

10. ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ 87

10.1. Классификация промышленных объектов управления 87

10.2. Методы получения математического описания 88

Рекомендуемая литература 89

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Производственные процессы характеризуются множеством регулируемых величин: температурой, давлением, расходом, концентрацией и т. д., которые называются параметрами процесса. Чтобы технологическое оборудование работало в требуемом режиме, то есть с высоким КПД, с заданной производительностью, давало продукцию необходимого качества и работало надежно, необходимо поддерживать величины, характеризующие процесс, в большинстве случаев постоянными. Эта важнейшая задача возложена на промышленные системы автоматического регулирования и стабилизации технологических процессов.

Промышленные системы регулирования занимают второй уровень современных иерархических систем управления технологическими процессами. Их главная задача состоит в том, чтобы стабилизировать технологические параметры на заданном уровне. Этим занимаются системы автоматической стабилизации. В этих системах сигнал задания (уставка регулятора) остается постоянным в течение длительного времени работы. Другой, не менее важной задачей, является задача программного управления технологическим агрегатом, что обеспечивает переход на новые режимы работы. Решение этой проблемы осуществляется с помощью той же системы автоматической стабилизации, задание которой изменяется от программного задатчика.

В современных технологических комплексах имеются сотни и тысячи контуров регулирования, от качественной работы которых во многом зависит качество выдаваемой продукции. Поэтому для большинства промышленных САР необходима достаточно высокая точность их работы. При этом главное назначение системы стабилизации - это компенсация внешних возмущающих воздействий, действующих на объект управления.

Основные понятия и определения

Датчик - конструктивно обособленный элемент измерительной или регулирующей системы, предназначенный для преобразования измеряемой физической величины в удобный для считывания или дальнейшего использования и обработки сигнал.

Регулятор - следит за работой объекта управления как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы. Регуляторы следят за изменением некоторых параметров объекта управления и реагируют на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления.

Управляющий (технологический) контроллер – автоматическое (как правило, микропроцессорное) устройство, содержащее различные каналы ввода/вывода и предназначенное для решения задач управления техническими/технологическими процессами.

Автоматизированная система управления или АСУ — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т.п.

Необходимость изучения общих вопросов, касающихся технических средств автоматизации и государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), диктуется тем, что технические средства автоматизации являются неотъемлемой частью ГСП. Технические средства автоматизации представляют собой основу при реализации информационно-управляющих систем в промышленной и непромышленной сферах производства. Принципы организации ГСП в значительной мере определяют содержание этапа проектирования технического обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). В свою очередь, основу ГСП составляют проблемно-ориентированные агрегатные комплексы технических средств.

Типовые средства автоматизации могут быть техническими, аппаратными, программно-техническими и общесистемными [1].

К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:

· регулирующие органы (РО);

· вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);

· устройства аналогового и цифрового регулирования;

· устройства логико-командного управления;

· модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объекта управления (ТОУ);

· модули гальванической развязки и нормализации сигналов;

· преобразователи сигналов из одной формы в другую;

· модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;

· буферные запоминающие устройства;

· специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.

К программно-техническим средствам автоматизации относят:

· аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

· блоки многоконтурного аналогового и аналого-цифрового регулирования;

· устройства многосвязного программного логического управления;

К общесистемным средствам автоматизации относят:

· устройства сопряжения и адаптеры связи;

· блоки общей памяти;

· устройства общесистемной диагностики;

· процессоры прямого доступа для накопления информации;

Технические средства автоматизации в системах управления

Любая система управления должна выполнять следующие функции:

· сбор информации о текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ);

· определение критериев качества работы ТОУ;

· нахождение оптимального режима функционирования ТОУ и оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев качества;

· реализация найденного оптимального режима на ТОУ.

Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА. Различают четыре типа систем управления (СУ):

2) автоматического управления;

3) централизованного контроля и регулирования;

4) автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Информационные (неавтоматизированные) системы управления (рис. 1.1) применяются редко, только для надежно функционирующих, простых технологических объектов управления ТОУ.

Рис. 1.1. Структура информационной системы управления:

Д - датчик (первичный измерительный преобразователь);

НП – нормирующий преобразователь;

ВП - вторичный показывающий прибор;

ОПУ- операторский пункт управления (щиты, пульты, мнемосхемы, устройства сигнализации);

УДУ – устройства дистанционного управления (кнопки, ключи, байпасные панели управления и др.);

ИМ – исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

С - устройства сигнализации;

В некоторых случаях в состав информационной СУ входят регуляторы прямого действия и встроенные в технологическое оборудование регуляторы.

В системах автоматического управления (рис. 1.2) все функции выполняются автоматически при помощи соответствующих технических средств.

Функции оператора включают в себя:

· техническую диагностику состояния САУ и восстановление отказавших элементов системы;

· коррекцию законов регулирования;

· переход на ручное управление;

· техническое обслуживание оборудования.

Рис. 1.2. Структура системы автоматического управления (САУ):

КП - кодирующий преобразователь;

ЛС - линии связи (провода, импульсные трубки);

ВУ - вычислительные устройства

Системы централизованного контроля и регулирования (СЦКР) (рис. 1.3). САУ применяются для простых ТОУ, режимы функционирования которых характеризуются небольшим числом координат, а качество работы одним легко вычисляемым критерием. Частным случаем САУ является автоматическая система регулирования (АСР).

Система управления, автоматически поддерживающая экстремальное значение ТОУ, относится к классу систем экстремального регулирования.

Рис. 1.3. Структура системы централизованного контроля и регулирования:

ОПУ - операторский пункт управления;

НП – нормирующий преобразователь;

КП - кодирующие и декодирующие преобразователи;

ЦР - центральные регуляторы;

МР – многоканальное средство регистрации (печать);

С - устройство сигнализации предаварийного режима;

МПП - многоканальные показывающие приборы (дисплеи);

ИМ - исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

АСР, поддерживающие заданное значение выходной регулируемой координаты ТОУ, подразделяются на:

Экстремальные регуляторы применяются крайне редко.

Технические структуры СЦКР могут быть двух типов:

1) с индивидуальными ТСА;

2) с коллективными ТСА.

В системе первого типа каждый канал конструируют из ТСА индивидуального пользования. К ним относятся датчики, нормирующие преобразователи, регуляторы, вторичные приборы, исполнительные механизмы, регулирующие органы.

Выход из строя одного канала регулирования не приводит к остановке технологического объекта.

Такое построение увеличивает стоимость системы, но повышает ее надежность.

Система второго типа состоит из ТСА индивидуального и коллективного пользования. К ТСА коллективного пользования относят: коммутатор, КП (кодирующие и декодирующие преобразователи), ЦР (центральные регуляторы), МР (многоканальное средство регистрации (печать)), МПП (многоканальные показывающие приборы (дисплеи)).

Стоимость коллективной системы несколько ниже, но надежность в сильной степени зависит от надежности коллективных ТСА.

При значительной длине линии связи применяют индивидуальные кодирующие и декодирующие преобразователи, размещенные около датчиков и исполнительных механизмов. Это повышает стоимость системы, но улучшает помехозащищенность линии связи.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) (рис. 1.4) - это машинная система, в которой ТСА осуществляют получение информации о состоянии объектов, вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки управления. Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и реализации с помощью локальных АСР или дистанционного управления РО.

Различают следующие типы АСУТП:

· централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и управления выполняет одна управляющая вычислительная машина УВМ) (рис.1.4);

Рис. 1.4. Структура централизованной АСУ ТП:

УСО - устройство связи с объектом;

ДУ - дистанционное управление;

СОИ - средство отображения информации

· супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на базе ТСА индивидуального пользования и центральной УВМ (ЦУВМ), имеющей информационную линию связи с локальными системами) (рис. 1.5);

Рис. 1.5. Структура супервизорной АСУТП: ЛР - локальные регуляторы

· распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций контроля обработки информации и управления между несколькими территориально распределенными объектами и вычислительными машинами (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Иерархическая структура технических средств ГСП

Общие сведения о технических средствах автоматизации.

К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:

· регулирующие органы (РО);

· вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);

· устройства аналогового и цифрового регулирования;

· устройства логико-командного управления;

· модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния технологического объекта управления (ТОУ);

· модули гальванической развязки и нормализации сигналов;

· преобразователи сигналов из одной формы в другую;

· модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов управления;

· буферные запоминающие устройства;

· специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной подготовки.

К программно-техническим средствам автоматизации относят:

· аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

· блоки многоконтурного аналогового и аналого-цифрового регулирования;

· устройства многосвязного программного логического управления;

К общесистемным средствам автоматизации относят:

· устройства сопряжения и адаптеры связи;

· блоки общей памяти;

· устройства общесистемной диагностики;

· процессоры прямого доступа для накопления информации;

Технические средства автоматизации в системах управления

Любая система управления должна выполнять следующие функции:

· сбор информации о текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ);

· определение критериев качества работы ТОУ;

· реализация найденного оптимального режима на ТОУ.

2) автоматического управления;

3) централизованного контроля и регулирования;

4) автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Рис. 1.1. Структура информационной системы управления:

Д - датчик (первичный измерительный преобразователь);

НП – нормирующий преобразователь;

ВП - вторичный показывающий прибор;

ОПУ- операторский пункт управления (щиты, пульты, мнемосхемы, устройства сигнализации);

УДУ – устройства дистанционного управления (кнопки, ключи, байпасные панели управления и др.);

ИМ – исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

С - устройства сигнализации;

Функции оператора включают в себя:

· техническую диагностику состояния САУ и восстановление отказавших элементов системы;

· коррекцию законов регулирования;

· переход на ручное управление;

· техническое обслуживание оборудования.

Рис. 1.2. Структура системы автоматического управления (САУ):

КП - кодирующий преобразователь;

ЛС - линии связи (провода, импульсные трубки);

ВУ - вычислительные устройства

Рис. 1.3. Структура системы централизованного контроля и регулирования:

ОПУ - операторский пункт управления;

НП – нормирующий преобразователь;

КП - кодирующие и декодирующие преобразователи;

ЦР - центральные регуляторы;

МР – многоканальное средство регистрации (печать);

С - устройство сигнализации предаварийного режима;

МПП - многоканальные показывающие приборы (дисплеи);

ИМ - исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган;

АСР, поддерживающие заданное значение выходной регулируемой координаты ТОУ, подразделяются на:

Экстремальные регуляторы применяются крайне редко.

Технические структуры СЦКР могут быть двух типов:

1) с индивидуальными ТСА;

2) с коллективными ТСА.

Выход из строя одного канала регулирования не приводит к остановке технологического объекта.

Такое построение увеличивает стоимость системы, но повышает ее надежность.

Различают следующие типы АСУТП:

Рис. 1.4. Структура централизованной АСУ ТП:

УСО - устройство связи с объектом;

ДУ - дистанционное управление;

СОИ - средство отображения информации

Рис. 1.5. Структура супервизорной АСУТП: ЛР - локальные регуляторы

Г Технические средства автоматизации: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 52 с.
В конспекте лекций даны основные сведения о современных технических и программно-технических средствах автоматизации (ТСА) и программно-технических комплексах (ПТК), о принципах их построения, классификации, составе, назначении, характеристиках и особенностях применения в различных автоматизированных системах управления и регулирования технологическими процессами (АСУ ТП).

ББК 973.26-04я73

технический университет, 2006

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

Элемент (устройство) – конструктивно законченное техническое изделие, предназначенное для выполнения определённых функций в системах автоматизации (измерение, передача сигнала, хранение информации, ее обработка, выработка команд управления и т.п.).

Система автоматического управления (САУ) – совокупность технических устройств и программно-технических средств, взаимодействующих между собой с целью реализации некоторого закона (алгоритма) управления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – система, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляющая собой человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматический сбор и обработку информации, необходимую для управления этим технологическим объектом в соответствии с принятыми критериями (техническими, технологическими, экономическими).

Технологический объект управления (ТОУ) - совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям и регламентам технологического процесса.

1.1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ

В соответствии с ГОСТ 12997-84 весь комплекс ТСА по их функциональному назначению в САУ делят на следующие семь групп (рис.1).

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ:

СУ – система управления; ОУ – объект управления; КС – каналы связи;

ЗУ – задающие устройства; УПИ – устройства переработки информации;

УсПУ – усилительно-преобразовательные устройства; УОИ – устройства отображения информации; ИМ – исполнительные механизмы; РО – рабочие органы; КУ – контрольные устройства; Д – датчики; ВП – вторичные преобразователи

1.2. Тенденции развития ТСА
1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

– в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

– в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических дисплеев);

– в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного тестирования всей системы автоматики);

– в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых промышленных средств).

2. Усложнение элементной базы – означает переход от релейно-контактных схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции (рис.2).

Рис. 2. Этапы развития электрических ТСА
3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким (перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного проектирования (САПР).

1.3. Методы изображения ТСА
В процессе изучения данного курса могут применяться разнообразные методы изображения и представления ТСА и их составных частей. Наиболее часто используются следующие:

1. Конструктивный метод (рис. 7-13) предполагает изображение приборов и устройств методами машиностроительного черчения в виде технических рисунков, компоновок, общих видов, проекций (в том числе и аксонометрических), сечений, разрезов и т.п. [1,14].

2. Схемный метод (рис. 14,16-21,23) предполагает в соответствии с ГОСТами ЕСКД представление ТСА схемами различных видов (электрических, пневматических, гидравлических, кинематических) и типов (структурных, функциональных, принципиальных, монтажных и др.) 7.

3. Математическая модель [3,15,19,30] применяется чаще для программно-реализуемых ТСА и может быть представлена:

– передаточными функциями типовых динамических звеньев;

– дифференциальными уравнениями протекающих процессов;

– логическими функциями управления выходов и переходов;

– графами состояния, циклограммами, временными диаграммами (рис. 14, 28);

– блок-схемами алгоритмов функционирования (рис. 40) и т.п.
1.4. Основные принципы построения ТСА
Для построения современных АСУ ТП требуются разнообразные устройства и элементы. Удовлетворение потребностей столь различных по качеству и сложности СУ в средствах автоматизации при их индивидуальной разработке и изготовлении сделало бы проблему автоматизации необозримой, а номенклатуру приборов и устройств автоматики практически беспредельной. [24]

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и средств автоматизации (ГСП) – представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации, унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. А с 70-х годов ГСП охватывает и непромышленные сферы деятельности человека, такие как: научные исследования, испытания, медицина и др.

Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов, конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих ограничений.

Унификация – это приведение различных видов продукции и средств её производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств. Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование – это разработка и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники (например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и автоматизации обработки информации и др.).

2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ

И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

ГСП представляет собой сложную развивающуюся систему, состоящую из ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных позиций. Рассмотрим функционально-иерархическую и конструктивно-технологическую структуры технических средств ГСП.
2.1. Функционально-иерархическая структура ГСП

Рис. 3. Иерархия ГСП
Отличительными особенностями современных структур построения автоматизированных систем управления промышленными предприятиями являются: проникновение вычислительных средств и внедрение сетевых технологий на все уровни управления.

В мировой практике специалисты по комплексной автоматизации производства также выделяют пять уровней управления современным предприятием (рис. 4), что полностью совпадает с выше приведенной иерархической структурой ГСП. [23]

На уровне ЕRP – Enterprise Resource Planning (планирования ресурсов предприятия) осуществляются расчет и анализ финансово-экономических показателей, решаются стратегические административные и логистические задачи.

На уровне MES – Manufacturing Execution Systems (системы исполнения производством) – задачи управления качеством продукции, планирования и контроля последовательности операций технологического процесса, управления производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса, технического обслуживания производственного оборудования.

Эти два уровня относятся к задачам АСУП (автоматизированным системам управления предприятием) и технические средства, с помощью которых эти задачи реализуются – это офисные персональные компьютеры (ПК) и рабочие станции на их основе в службах главных специалистов предприятия.

Рис. 4. Пирамида управления современным производством.
На следующих трех уровнях решаются задачи, которые относятся к классу АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами).

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition (система сбора данных и супервизорного (диспетчерского) управления) – это уровень тактического оперативного управления, на котором решаются задачи оптимизации, диагностики, адаптации и т.п.

Control-level – уровень непосредственного (локального) управления, который реализуется на таких ТСА как: ПО – панели (пульты) операторов, ПЛК – программируемые логические контроллеры, УСО – устройства связи с объектом.

HMI – Human-Machine Interface (человеко-машинная связь) – осуществляет визуализацию (отображение информации) хода технологического процесса.

датчики и исполнительные механизмы (Д/ИМ) конкретных технологических установок и рабочих машин.

2.2. Конструктивно-технологическая структура ГСП

Рис. 5. Структура ГСП
УКТС (унифицированный комплекс технических средств) – это совокупность разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие одинаковые конструктивные элементы.

АКТС (агрегатный комплекс технических средств) – это совокупность различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания, уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и программно-технической базе по блочно-модульному принципу. Примеры известных отечественных УКТС и АКТС приведены в табл. 1.

ПТК (программно-технический комплекс) – это совокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Примеры современных отечественных и зарубежных ПТК приведены в табл. 2.

Конкретные комплексы технических средств состоят из сотен и тысяч различных типов, типоразмеров, модификаций и исполнений приборов и устройств. [11,12,13]

Тип изделия – это совокупность технических изделий, одинаковых по функциональному назначению, единого принципа действия, имеющие одинаковую номенклатуру главного параметра.

Типоразмер – изделия одного и того же типа, но имеющие свои конкретные значения главного параметра.

Модификация – это совокупность изделий одного типа, имеющих определенные конструктивные особенности.

Исполнение – конструктивные особенности, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Читайте также: