гринюк

10. Виды исполнения приборов автоматизации. Пыле- и влагозащита. Использование ресурсов. Интернета для построения систем регулирования

Открытая архитектура систем управления

Гибкие и наиболее сложные системы ЧПУ с открытой архитектурой выполняют согласно двухкомпьютерной архитектурной модели (рис. 32, а).

По мере роста вычислительной мощности компьютеров все более привлекательным становится однокомпьютерный вариант (рис. 32, б).

Двухкомпьютерная модель предполагает размещение РС-подсистемы на одном компьютере, а NC-подсистемы - на другом. В РС-подсистеме наиболее целесообразна операционная система Windows NT, а в NC-подсистеме - операционная система реального времени UNIX. Обе операционные системы совместимы в том смысле, что поддерживают коммуникационные протоколы TCP/IP. Это позволяет построить коммуникационную среду, объединяющую подсистемы. Включение в эту среду прикладного уровня с функциями доступа к интерфейсам модулей (а общее число та-

ких функций может достигать нескольких сот) создает виртуальную шину, оказывающую низкоуровневые услуги доступа. Объектная надстройка в шине формирует глобальный сервер, т.е. единую для обеих подсистем объектно-ориентированную магистраль.

Однокомпьютернаямодель предполагает использование традиционного компьютера, оснащенного дополнительными контроллерами для связи с мехатронными объектами управления. В их числе могут быть контроллер следящих приводов, программируемый контроллер PLC (Programmable Logic Controller), специальные устройства для управления технологическими процессами и др. В качестве операционной может быть использована система Windows NT, которая, однако, не является системой реального времени и в этой связи требует соответствующего расширения, например в виде системы RTX 4.1 американской фирмы VentureCom.

Система RTX (Real Time eXtention) модифицирует слой HAL (Hardware Abstraction Layer) операционной системы Windows NT и дополняет его диспетчером потоков (threads) реального времени. Диспетчер изолирует прерывания, позволяя строить приложения реального времени, о существовании которых любые другие приложения не подозревают.

Подсистема реального времени RTSS (Real-Time Sub-System) выполняет собственные функции и осуществляет управление ресурсами RTX.

Подсистема RTSS реализована в виде драйвера Windows NT, служит дополнением к операционной системе и использует сервисы Windows NT и HAL для работы подсистемы реального времени отдельно от любых других приложений. При этом обычные приложения «видят» подсистему реального времени как устройство (устройства).

1-11 Канал передачи данных

Локальная промышленная сеть использует последовательную передачу данных по каналу связи. В качестве физической среды передачи данных обычно применяется витая пара, коаксиальный кабель или оптоволокно, реже — канал беспроводной связи. Витая пара представляет собой пару изолированных проводящих жил, скрученных друг с другом и помещенных в общую диэлектрическую оболочку. Достоинства витой пары — низкая стоимость и простота применения. Коаксиальный кабель представляет собой медную токоведущую жилу, окруженную слоем диэлектрика и покрытием в виде металлической оплетки или фольги. Оптоволоконный кабель состоит из оптоволокна и защитного покрытия. Оптоволокно изготавливается из стекла или специального пластика и служит для передачи световых сигналов. Оптоволокно покрывается светоотражающим составом, предотвращающим рассеивание света. Используется в основном оптоволокно двух типов. Первый тип предполагает параллельную передачу нескольких световых сигналов и применяется для передач на расстояние до 2000 м, источник сигнала — диод. Второй тип предусматривает одиночный режим передачи, применяется для передачи сигнала на расстояние до 5000 м, источник сигнала — лазер. Достоинства оптокабеля — высокая скорость передачи данных и устойчивость к электромагнитным помехам, так как оптоволокно не является электропроводящим материалом.

Физические интерфейсы. При передаче данных используется стандарт RS-232C. Стандарт применяется при относительно медленной передаче сигналов — скорость передачи данных от 50 до 38 400 бит/с; максимальная длина соединения (без повторителей) — 15 м. Информация передается последовательно бит за битом асинхронным способом. Передаваемый байт данных содержит бит паритета и сопровождается стартовым и стоповыми битами. Единица и нуль кодируются импульсами напряжения положительной и отрицательной полярности.

Стандарт определяет также распайку интерфейсного разъема. Интерфейс RS-232C с передачей по току (current loop — токовая петля) представляет собой двухпроводную линию, образующую токовую петлю. Передающее устройство является дискретно переключаемым источником тока. Данные передаются сигналами постоянного тока 4—20 мА. Токовая петля позволяет увеличить помехозащищенность и передавать сигналы по линии длиной до 3 км.

Разработанные позднее стандарты интерфейсов последовательной передачи данных RS-422 и RS-485 допускают значительно большие скорости и дальность передачи данных. Наибольшее распространение нашел стандарт RS-485. Интерфейсы на базе этого стандарта реализованы практически во всех промышленных ЭВМ.

1-12 Локальные промышленные сети

Информационный обмен между различными уровнями управления, их интеграция в единую систему осуществляются посредством локальных вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети представляют собой системы распределенной обработки данных, охватывающие относительно небольшие территории (до 5 — 10 км) внутри отдельных предприятий и объединяющие с помощью общего канала связи сотни абонентских узлов. Локальные вычислительные сети, обеспечивающие физическую и логическую связь между распределенными промышленными контроллерами, измерительными преобразователями и исполнительными механизмами и их интеграцию в единую систему управления технологическим процессом, называются локальными промышленными сетями (Fieldbus — «полевая» шина). Основными требованиями к вычислительным сетям, эксплуатирующимся в промышленных условиях, являются простота монтажа, высокая надежность и высокая скорость передачи данных (что отличает их, например, от глобальных сетей, которые могут вносить в передачу данных значительные задержки).

Топологии сетей

Топология сети описывает способ объединения различных сетевых устройств. Выбор топологии влияет на характеристики сети: способ доступа к сети, возможность ее расширения, надежность. Основными топологиями являются шина (Bus), кольцо (Ring) и звезда (Star). При построении вычислительных сетей используются два варианта подключения сетевых устройств: радиальное и магистральное. Радиальное соединение между двумя сетевыми устройствами (ЭВМ, ПК и т.п.) называется соединением точка к точке (point to point interface). Магистральное соединение сетевых устройств, при котором они независимо выходят на общую линию передачи, называется «многоточечным» соединением (multipoint).Наиболее простыми и распространенными являются сети с топологией типа шина (магистраль). Для объединения группы устройств в сеть здесь применяется единый кабель. Кабель имеет несколько промежуточных ответвлений, которые используются для соединения магистрального провода с сетевыми устройствами. Тип соединения — многоточечный. Каждое сетевое устройство может передавать данные только в том случае, если другие «молчат». Основной недостаток этой топологии заключается в том, что выход из строя магистрального кабеля влечет за собой остановку всей сети. В то же время выход из строя одного узла не нарушает работоспособности сети.

В топологии типа кольцо информация передается от узла к узлу последовательно по физическому кольцу. Каждый узел передает информацию только одному из узлов. Тип соединения — точка к точке. Приемный узел выступает в роли повторителя, регенерируя полученную информацию. К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях, где передаваемые данные получают все узлы сети. На различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды. Выход из строя линии связи приводит к отказу сети.

Топология типа звезда предполагает, что все сетевые узлы подключены собственным физическим каналом связи к центральному концентратору или контроллеру. Тип соединения -точка к точке. Информация от периферийного передающего узла поступает к другим периферийным узлам через центральный узел. Центральный узел должен отличаться повышенной надежностью, поскольку выход его из строя останавливает всю сеть. Выход из строя периферийного узла или одного физического канала связи отключает только один сетевой узел и не влияет на работоспособность остальной сети.

Сетевые устройства

Основными специализированными сетевыми устройствами, используемыми в локальных сетях, являются:

трансивер (tranceiver) — приемопередатчик, который служит для подключения сетевого узла к основной магистрали сети из коаксиального кабеля или оптоволокна;
концентратор (hub) — используется при создании инфраструктуры сети. Соединяет сегменты кабеля, восстанавливает и усиливает передаваемый сигнал;
интеллектуальный концентратор (switcher) — обладает возможностью коммутировать приходящие пакеты, т.е. ретранслировать их по сегментам, выделенным на основе анализа адресной информации. Трансивер и концентратор реализуют функции физического уровня OSI-модели;
мост (bridge) — интеллектуальное устройство, которое служит для соединения двух различных сетей, например Profibus и Ethernet. Реализует функции канального уровня OSI-моде-ли. Передает пакеты из одной сети в другую по адресу назначения;
маршрутизатор (router) — используется в сложных сетях в точках разветвления маршрутов для определения дальнейшего наилучшего пути пакета, функционирует на сетевом уровне OSI-модели. В качестве маршрутизатора может использоваться сетевая станция, имеющая несколько сетевых интерфейсов и соответствующее программное обеспечение.

Каждый из узлов сети содержит сетевой адаптер (плату или микросхему интерфейсного контроллера) для сопряжения сети со средой передачи данных. Организация физической и логической связи по сети регламентируется протоколом, который устанавливает базовые правила реализации сети и обмена данными между ее абонентами. Сетевой адаптер поддерживает соответствующий протокол. Сетевые адаптеры реализуют функции физического и канального уровней OSI-модели.

В функции сетевого адаптера входят:

контроль возможности доступа к сети;
идентификация адреса;
кодирование и декодирование сигнала;

преобразование параллельного кода в последовательный и обратное преобразование соответственно при передаче и приеме;
промежуточное хранение данных в буферной памяти;
контроль ошибок.

1.13. Основные понятия систем управления и автоматизации. Постановка задачи управления и регулирования. Основные свойства объекта управления. Статические и астатические системы. Статические и астатические системы (нет). Оптимальные переходные процессы.

Основные понятия управления и автоматизации.

При определения некоторого объекта как системы предполагается наличие:

1) объекта, состоящего из множества элементов и их свойств, которые рассматриваться, как единое целое благодаря связям между ними и их свойствами;

2) исследователя, выполняющего любую целенаправленную деятельность;

3) задачи, на основе решения которой, исследователь определяет объект как систему;

4) языка, на котором исследователь может описать объект, его элементы и связи.

Элементы ‑ части или компоненты системы, условно принятые неделимыми.

Свойства ‑ качества позволяющие, описать систему и выделять ее среди других систем. Свойства могут иметь количественную меру, или выражаются лишь качественно.

Связи ‑ то, что соединяет элементы и свойства.

Система ‑ это не сумма составляющих ее частей, а целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают ее элементы.

Внешняя среда - множество элементов за пределами системы, с которыми она взаимодействует.

Иерархия системы - каждая система может рассматриваться как подсистема или элемент некоторой, более крупной системы.

Модель системы - отображение определенных характеристик объекта с целью его изучения. Модель ‑ не точная копия объекта, а отражение определенной части его свойств.

Воздействие окружающей среды на объект управления - возмущающее воздействие.

Процесс - организованная совокупность операций, которые условно можно разделить на: рабочие операции ‑ действия, необходимые непосредственно для выполнения процесса и операциями управления - организуют и направляют рабочие операции. Совокупность операций управления образуют процесс управления.

Постановка задачи управления и регулирования

Задачу управления можно сформулировать следующим образом: найти такие вектор управления и вектор состояния, которые обеспечат достижение цели управления, согласно какому-то критерию управления.

На практике, обычно достаточно, чтобы разница между достигнутым значением показателя цели управления и значением не превышало некоторое значение заданной погрешности.

В некоторых случаях задача управления: найти и реализовать функциональную зависимость (алгоритм управления) обеспечивающие наилучшее приближение к заданному значению критерия управления.

Задача упрощается, если цель управления задается как конкретное значение контролируемого параметра. Это частный случай задачи управления - задача регулирования. Строго задача регулирования формулируется следующим образом: полагая заданным найти закон регулирования

который обеспечивает минимальное отклонение регулируемого значения параметра от заданного значения.

Основные свойства объекта управления

Объект управления - система параметры которой, можно целенаправленно менять для достижения какого-то результата, параметры системы меняются также под

воздействием возмущающих воздействий.

Регулируемые величины - параметры, которые характеризуют состояния объекта.

Управляющее воздействие - группа параметров, изменением которых оказывается целенаправленное влияние на объект.

Возмущающее воздействие - отражают влияние внешних условий и изменений самого объекта. Возмущающие воздействия делятся на: внутренние ‑ изменение свойств объекта с течением времени, внешние - наиболее опасные, т.к. они носят случайный характер и могут меняться ступенчато.

Объекты управления характеризуются различными признаками. Некоторые из них присущи всем объектам, а некоторые индивидуальны и используются в качестве классификационных признаков:

- одномерные объекты (имеют один входной и выходной параметр);

- многомерные объекты (имеют несколько контролируемых параметров);

Объекты с сосредоточенными параметрами - это объекты, имеющие одинаковые значения контролируемых параметров в данный момент по всему объекту

Объекты с рассредоточенными параметрами

Еще одна классификация ‑ уравнение описания объекта, объекты могут быть:

- одноемкостные; - многоемкостные;

Общими для всех объектов является следующие признаки:

- запаздывание; - емкость; - самовыравнивание;

Объекты бывают:

- устойчивые; - неустойчивые; - нейтральные;

Запаздывание ‑ выражает свойства системы, передавать сигнал с входа на выход через некоторый промежуток времени при этом характеристика сигнала не изменяется. Чистое (транспортное) - запаздывание встречается редко, можно определить как отношение относительной длины объекта к скорости потока энергии или массы в объекте. Емкостное (переходное) запаздывание присуще всем объектам.

Емкость ‑ это свойство объекта накапливать (или сохранять) вещество или энергию. Она характеризует инерционность.

Оптимальные переходные процессы

Различные по характеру процессы регулирования могут быть признаны оптимальными для разных объектов в зависимости от требований ТП. Установлен ряд оптимальных переходных процессов регулирования, среди которых наибольшее распространение получили следующие.

1. Затухающий колебательный переходный процесс (рис. а, б) с 20%-ным перерегулированием и минимальным временем первого полупериода колебаний t1

Один из наиболее распространенных в практике автоматизации ТП. Используется, когда другие переходные процессы, например апериодический, нецелесообразны или получить их не удается, а некоторое перерегулирование допустимо. При данном переходном процессе 20%-ное перерегулирование понижает максимальное динамическое отклонение А1. Минимальное время первого полупериода колебаний t1, в течение которого имеет место наибольшее отклонение регулируемой величины от задания, также можно отнести к достоинствам данного переходного процесса.

2. Апериодический переходный процесс с минимальным временем регулирования tP,min. (рис. в) Характеризуется минимальным временем регулирования tP, полным отсутствием перерегулирования А1, а также минимальным регулирующим воздействием, что важно в тех случаях, когда регулирующее воздействие оказывает нежелательное влияние на другие регулируемые величины. Однако динамическое отклонение при

данном переходном процессе максимально.

1 - заданное значение регулируемой величины 0; 2 - отклонение регулируемой величины  от задания 0 во времени t, 3 - отклонение регулируемой величины  в статическом объекте без вмешательства регулятора; 4 - отклонение регулируемой величины  в астатическом объекте без вмешательства регулятора

3. Апериодический переходный процесс с затянутым временем регулирования tP (рис. г). Свойственно максимальное динамическое отклонение А1 и максимальное время регулирования tP при минимальном регулирующем воздействии. Обеспечивает максимальную устойчивость САР, что в ряде случаев является основным требованием к регулятору.

4. Затухающий колебательный переходный процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения (рис. д) регулируемой величины от задания. Этот переходный процесс отличается наибольшим регулирующим воздействием, перерегулированием порядка 40-45 % и максимальным временем регулирования tP. Однако имеет наименьшее значение максимального динамического отклонения А1. Переходный процесс этого типа целесообразен в тех случаях, когда главная задача автоматического регулятора – обеспечение минимального значения А1.

5. Затухающий колебательный переходный процесс с минимальным временем регулирования tP,min (рис. е). Этот переходный процесс характеризуется тем, что амплитуда перегулирования А1 и последующие амплитуды Аз, А4 и т.д. не превышает зоны нечувствительности п измерительного прибора, вследствие чего общим временем регулирования считается лишь время первого полупериода ограниченного верхним пределом зоны нечувствительности. Время регулирования tP данного переходного процесса является минимальным из всех рассмотренных переходных процессов.

Содержание