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.