Локальные, централизованные и автоматизированные icon

Локальные, централизованные и автоматизированные


Смотрите также:
Локальные, централизованные и автоматизированные...
Локальные, централизованные и автоматизированные...
Экзамен Количество кредитов 5...
Тема: 12. Локальные вычислительные сети. Виды связи, используемой в системе фтс россии...
В. Е. Максименко локальные группы и особенности кочевнических комплексов...
Рабочая программа дисциплины «Автоматизированные информационные системы» для специальности...
Кафаров В. В., Макаров В. В...
Microsoft Access. Таблицы...
Автоматизированные системы контроля и управления движения на жд РФ...
Комплекс стандартов на автоматизированные системы Автоматизированные системы Термины и...
Комплекс стандартов на автоматизированные системы автоматизированные системы...
Автоматизированные информационные системы в экономике...



Загрузка...
скачать
1 Классификация и состав систем управления

В общем случае любая система представляет собой множество взаимосвязанных элементов. В автоматике под системой подразумевают совокупность объектов управления и управляющего устройства, которые взаимодействуют между собой. В сфере промышленного производства сегодня практический интерес имеют системы управления трех категорий: локальные, централизованные и автоматизированные системы управления технологическими процессами.

К первой категории систем автоматики относятся локальные (местные) средства контроля, регулирования и управления. Эти системы находят широкое применение на хорошо изученных «простых» объектах управления с числом измерительных величин, не превышающих десятка, например, для котельных установок малой мощности, кондиционеров, холодильных агрегатов и других объектов. Они эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, слежение, программное и логическое управление, контроль и измерение) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации.

Появление централизованных систем автоматики связано с ростом количества контролируемых параметров, с территориальным размещением объектов управления. Они разрешают реализовать новые функции по вычислению комплексных показателей эффективности работы отдельных агрегатов и технико-экономических показателей всего технологического процесса, вычислению на этой основе оптимальных управляющих действий и реализации этих действий или в виде вставок локальных регуляторов, или в виде непосредственного действия на исполнительное устройство.

Более высокие требования к качеству управления за счет повышения количества контролируемых параметров, осуществления более точного и комплексного контроля сырья и промежуточных продуктов, оптимального управления объектами на основе их математической модели создали предпосылки к использованию систем третьей категории - АСУТП. В этих системах объединяются решения задач контроля и регулирования технологических процессов, выбора оптимальных режимов и алгоритмов управления.

Несмотря на численное разнообразие систем управления, общим для них является наличие элементов: объекта управления, устройства управления, устройства связи с объектом, получение и использование информации (датчики).

Типичная структура системы управления приведена на рис. 1.1. Показанные на ней аппаратные средства, которые составляют систему, можно разделить на следующие основные части:

  • устройство управления (УУ);

  • устройство связи с объектом (УСО);

  • периферийные устройства (датчики (Д));

  • исполнительные устройства, органы (ИО).



Рисунок 1.1- Структурная схема системы управления

Устройства, которые обеспечивают возможность подключения управляющего устройства к объекту управления (ОУ), выделяют в специальный класс периферийных устройств - устройства связи с объектом (УСО), которые включают в себя подсистемы аналогового и цифрового ввода, подсистемы аналогового и цифрового вывода.


^ 2. Подсистема аналогового ввода

Преобразовывает аналоговые физические величины в форму, пригодную для использования в устройстве управления. С помощью соответствующих датчиков аналоговые величины разной физической природы превращаются в большинстве случаев в постоянный ток или напряжение.

Основные функции оборудования подсистемы:

  • нормализация и усиление сигнала, фильтрация, ослабление сигнала, смещение уровня, преобразование и др.;

  • коммутация сигналов;

  • аналого-цифровое преобразование.

Разнообразные требования по стоимости и техническим характеристикам дают возможность вариации структуры подсистемы аналогового ввода на основе выбора метода обработки аналоговых сигналов.

На рис. 1.2 приведена структура, которая реализует принцип параллельной обработки аналоговых сигналов, поступающих от датчиков. Данная структура даёт возможность обеспечить максимальную производительность аппаратуры всех каналов подсистемы вследствие независимости обработки каждого сигнала и высокое качество преобразования сигналов вследствие возможности подсистемы обеспечить нужный уровень сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в каждом канале. Такой вариант построения подсистем имеет большое будущее, но на современном этапе развития микросхемотехники при его реализации имеет место высокая стоимость системы из-за сравнительно высокой стоимости интегральных схем АЦП.

Другие варианты (рис.1.3) построения структуры подсистем аналогового ввода базируются на принципе последовательной обработки аналоговых сигналов, применения мультиплексирования, а также аналоговых схем выборки-хранения для фиксации аналоговых сигналов на входе АЦП.



Рисунок 1.2 –Структура подсистемы аналогового ввода с параллельными цифровыми вводами сигналов


Это дает возможность использовать только один АЦП независимо от количества аналоговых входов.




Рисунок 1.3 –Структура подсистемы с параллельным аналоговым вводом и последовательным цифровым выводом сигналов

Хорошее качество преобразования обеспечено теми же функциональными блоками, которые входят в состав структуры (рис. 1.2). Производительность данной структуры находится в прямой зависимости от АЦП и ограничена его динамическими параметрами, поэтому в таких подсистемах необходимо использовать АЦП, имеющие высокое быстродействие. Использование дополнительных элементов для обработки аналоговых сигналов мультиплексоров, схем выборки-хранения ухудшает характеристики точности подсистемы в целом. Практически идентичными техническими характеристиками по сравнению со структурой (рис. 1.3), обладает подсистема (рис. 1.4).

Аппаратные затраты для реализации подсистемы на основе структуры (рис. 1.3) более высокие по сравнению с затратами для построения структуры с одной схемой выборки-хранения (рис.1.4). Эту конфигурацию структуры наиболее рационально использовать в однократных событиях.




Рисунок 1.4– Структура подсистемы аналогового ввода с последовательным выводом сигналов

Простейшей, но обеспечивающей относительно низкое качество преобразования, является подсистема, построенная по структуре, приведенной на рис. 1.5.



Рисунок 1.5 – Рациональная структура подсистем аналогового ввода и аналогового вывода сигналов

Эта конфигурация структуры рациональная при условии существования сигналов высокого уровня, которые поступают с датчиков, и идентичности этих сигналов. В этом случае имеется возможность обеспечения необходимого качества преобразования при сохранении преимущества простоты реализации.

Из анализа возможных вариантов построения структур вытекает, что любой вариант реализуется на основе функциональных устройств: датчиков, устройств согласования, АЦП, цифровых мультиплексоров, аналоговых мультиплексоров, устройств выборки-хранения.


^ 3.Подсистема аналогового вывода

Во многом напоминает подсистему аналогового ввода и используется для представления на объект контроля сигналов в виде напряжения или тока, которые изменяются во времени по заданному закону. При преобразовании цифровых данных в аналоговый сигнал с помощью ЦАП выделяют две конфигурации подсистем аналогового вывода:

  • с цифро-аналоговым преобразователем в каждом канале;

  • с одним ЦАП, который работает в режиме распределения времени.

Первая конфигурация применяется там, где есть потребность в высокой скорости и точности. Вторая конфигурация менее ценная, так как применяется только один ЦАП. В этом случае подсистема должна
вмещать ряд исходных схем аналоговой памяти.


^ 4. Подсистема цифрового ввода-вывода.

Для систем автоматики характерны не только аналоговые входные и выходные величины, но и цифровые. Они могут быть представлены двумя состояниями, например, "включено" или "выключено", "в пределах" или "за пределами", "низкий уровень" или "высокий уровень". Кроме цифровых параметров, которые характеризуют состояние объекта, существуют выходные цифровые параметры, которые задают желательное состояние объекта. Например, при контроле объекта часто возникает необходимость включения или отключение блоков и модулей, которые его составляют.

В этих подсистемах в качестве преобразующих схем входных сигналов используют резистивные делители напряжения, диодные ограничители, компараторы, триггеры Шмидта, согласователи уровней.

Основная функция подсистемы цифрового вывода – функция ключа. Выбор типа ключа определяется значением мощности, которая коммутируется, а также величиной скорости переключения. Электромеханические реле используют в основном для управления средней и большой мощностью при низких скоростях переключения. Они обеспечивают полную гальваническую развязку цепи.

Более надежными элементами являются полупроводниковые ключи (биполярные и полевые транзисторы).

Для коммутации цепей переменного тока средней и большой мощности часто используются кремниевые выпрямители, которыми можно управлять. Практически совершенными переключающими характеристиками обладают полевые транзисторы. Для гальванической развязки полупроводниковых ключей используют оптоэлектронные пары.


^ 5. Способы управления технологическими объектами

Любое управление строится на основе информации о состоянии объекта управления и сопоставления информации с целью управления и формирования по результатам этого сопоставления соответствующего управляющего воздействия. Все эти задачи решаются управляющим устройством, в качестве которого в системах управления все чаще используются средства вычислительной техники (СВТ). К ним относятся микропроцессоры, микроконтроллеры и персональные компьютеры.

Управление технологическими объектами с использованием СВТ можно осуществлять тремя способами:

  • управление в режиме советника;

  • супервизорное управление;

  • непосредственное цифровое управление.

На рис. 1.6 приведена схема системы управления с использованием СВТ в режиме советника.



Рисунок 1.6 – Режим советника


Информация о состоянии объекта управления снимается с датчиков, обрабатывается и в удобной форме предоставляется оператору (О). Характерная особенность такого режима - формирование влияния на объект управления оператором через исполнительные органы системы.

В режиме супервизорного управления выполняется автоматическая коррекция установок локальных регуляторов с помощью постоянного подключения выводов управляющего устройства через устройство связи с объектом до установок локальных аналоговых регуляторов. В этом случае СВТ работают в замкнутом контуре второго уровня управления и используются для решения задач статической оптимизации технологических объектов управления.

При непосредственном цифровом управлении предполагается выполнение следующих операций:

  • определение в СВТ ошибки несогласования между задающим воздействием и полученным значением;

  • опрос датчиков в дискретные моменты времени, превращение информации в цифровой код и введение в запоминающее устройство средств вычислительной техники;

  • формирование управляющего воздействия с помощью алгоритма управления;

  • преобразование цифрового сигнала в аналоговый управляющий и выдача его на исполнительный механизм (орган).

Схема системы управления в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) представлена на рис. 1.7.



Рисунок 1.7 – Режим НЦУ

Информационная связь между системой управления и ОУ осуществляется с помощью датчиков и исполнительных органов. Отличительной особенностью работы СВТ в режиме непосредственного цифрового управления является наличие предельно допустимой задержки между моментами введения информации, обработки и выдачи управляющего воздействия.

При реализации контуров НЦУ применяются синхронный и асинхронный принципы связи управляющих СВТ с объектом. При синхронном обмене процесс управления разбивается тактовыми импульсами на такты, за это время осуществляются снятие данных с ОУ, их обработка и выдача управляющего воздействия. При асинхронном обмене в СВТ поступают импульсы от датчиков прерывания, при этом на некоторое время прерывается выполнение основной программы, запоминается промежуточная информация и выполняется подпрограмма по сигналу прерывания. После этого осуществляется возвращение к прерванной программе.

Таким образом, необходимо решать такие задачи:

  1. Анализ ОУ и разработка математической модели.

  2. Определение структуры системы управления.

  3. Проектирование алгоритма управления.

  4. Выбор оптимального периода опроса датчиков и выдачи управляющего воздействия.

  5. Выбор типа СВТ и разработка системы для реализации заданных алгоритмов, включая выполнение требований к устройствам связи с объектом.

  6. Реализация программного обеспечения.



^ 6. Технологические процессы как объекты управления


Технологические процессы представляют собой первичное звено создания материальных ценностей, обеспечивающее производство необходимой для общества продукции. Во всех технологических процессах происходит преобразование или перенесение материалов, энергии и информации.

Технологические процессы как объекты управления можно поделить на следующие группы:

  • непрерывные технологические объекты, в которых перемещение материалов, энергии и информации происходит в виде потоков, обеспечивающих непрерывное функционирование объекта (в химической, газовой, нефтехимической промышленности, в энергетике и т.п.);

  • непрерывно-дискретные технологические объекты, в которых процессы протекают в ограниченном времени, а перемещение материалов, энергии и информации происходит в виде непрерывных потоков (в металлургии и химической промышленности, например, вулканизации, полимеризации);

  • дискретные технологические объекты, которые характеризуются однократным протеканием процессов и перемещением материалов, энергии, информации в виде отдельных элементов (в машиностроении при изготовлении деталей).

Для того чтобы представить технологический процесс как объект управления, необходимо абстрагироваться от конкретных физических, химических или технологических условий, их характеристик, определяющих условия протекания технологических процессов. Это необходимо для создания общих принципов и методов представления объекта в теории управления независимо от разной природы объектов. При этом конкретные особенности каждого объекта должны учитываться при разработке его математической модели, способов получения информации от объекта и вывода управляющих воздействий на объект.

Рассмотрим технологический процесс в виде многомерного объекта (рис. 2.1).



Рисунок 2.1 – Схема многомерного объекта

К входным переменным Х(t)={Х1(t),...,Хn(t)} относятся параметры сырья и теплоносителей (давление, температура, химический состав, концентрация), а также параметры разных компонентов, которые принимают участие в протекании технологического процесса (температура, давление, например, воздуха, воды и инертного газа).

К выходным переменным Y(t) = {Y1(t),...,Yn(t)} можно отнести параметры выходного продукта (химический состав, размеры, концентрацию), режимные параметры объекта (температуру и давление продукта на выходе), технико-экономические показатели объекта (производительность, коэффициент полезного действия, себестоимость, затраты сырья). На технологические объекты действуют измеряемые и неизмеряемые возмущения, которые характеризуют условия протекания процесса

. (2.1)

К этим переменным относятся температура и влажность окружающей среды, наличие примесей в исходном сырье, а также параметры, которые определяют состояние объекта (активность катализатора, кристаллизация на внутренних стенках трубопроводов и т.д.). Значение переменных Y(t) зависит от входных переменных Х(t) и возмущений . В качестве управляющих воздействий может применяться часть входных переменных. При создании системы управления невозможно учитывать все переменные, которые влияют на ход технологического процесса. Поэтому в системе управления принимают участие только основные переменные, прежде всего те, которые определяют ход процесса.

При рассмотрении технологического процесса как объекта управления необходимо:

  • изучить технологическую схему;

  • представить технологический процесс в виде некоторого числа систем, связанных между собой материальными потоками;

  • получить приближенные оценки статистических параметров материальных потоков с целью отбора существенных параметров для дальнейшего создания математической модели и разработки системы управления.



^ 7. Устройства получения информации

Устройства получения информации предназначены для сбора и преобразования информации без изменения ее содержания о контролирующих и управляющих параметрах технологических процессов. К устройствам получения информации о состоянии процесса относятся чувствительные элементы или датчики, измерительные и нормирующие преобразователи. К этой же группе устройств относятся релейные (позиционные) преобразователи.

Измерительный преобразователь это совокупность чувствительного элемента, измерительного и нормирующего преобразователей. Нормирующие
преобразователи переводят выходной сигнал измерительного преобразователя с естественным выходом в унифицированный сигнал.

В настоящее время наиболее распространенные выходные сигналы: величины постоянного и переменного токов, напряжения, импульсы, модулированные по амплитуде, ширине, фазе или частоте и давление воздуха. Величины основных унифицированных сигналов установлены соответствующими стандартами и приведены в табл. 2.2.


Таблица 2.2 –Унифицированные сигналы преобразователей



Для организации введения данных из датчиков необходимо осуществить опрос датчиков и определить значение измеряемых величин согласно показателям датчиков. Режим получения данных с объекта управления реализуется с помощью циклического и адресного опроса датчиков. При циклическом опросе датчики периодически опрашиваются в предварительно заданной и установленной последовательности. При этом в каждом цикле (такте квантования) отдельные датчики опрашиваются несколько раз через промежутки времени . Результаты опросов усредняются, и средние значения запоминаются. После этого через промежуток времени, который равен периоду квантования , весь процесс повторяется, т.е. датчики снова опрашиваются раз с дискретностью , и результаты опроса усредняются. Для большей точности желательно, чтобы при ограничении .

При адресном опрашивании по адресу, указанному оператором или определенному автоматически, опрашивается один или несколько датчиков. Для использования результатов опрашивания в алгоритмах управления необходимо определить истинные значения измерительных величин согласно показателям датчиков. Исходный сигнал датчика с истинным значением измерительного параметра X в общем случае заменяется нелинейной зависимостью вида . Для определения измерительной величины X по показателям датчика разработано много алгоритмов.

При линейной характеристике датчика значение измерительной переменной определяется следующим образом

, (2.17)

где - нижняя и верхняя границы шкалы измерительного параметра;

- нижняя и верхняя границы выходных сигналов датчика;

х - текущее значение параметра X;

у - выходной сигнал датчика текущего значения параметра х при каждом опросе.

При квадратичной характеристике датчика значения параметра определяются формулой

. (2.18)

Если зависимость У от Х аналитически определить невозможно, то для определения истинного значения измеряемого параметра используются аппроксимирующие полиномы

, (2.19)

где - постоянные коэффициенты, которые определяются таким образом, чтобы погрешность аппроксимации (2.19) не превышала допустимого значения во всем интервале измеряемого параметра и сигнала , полученного с датчика.




Скачать 144,05 Kb.
оставить комментарий
Дата28.09.2011
Размер144,05 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх