Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»И.А. ДАНИЛУШКИНАППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ИПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕСИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙАВТОМАТИЗАЦИИУчебное пособиеРекомендовано УМО по образованию в области радиотехники,электроники, биомедицинской техники и автоматизациив качестве учебного пособиядля студентов высших учебных заведений,обучающихся по специальности 210100«Управление и информатика в технических системах»Самара 2007УДК 004.(384+7) + 681.58Аппаратные средства и программное обеспечение систем промышленной автоматизации: Учеб. пособ.

/ И.А. Данилушкин; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2005. 168 с.Посвящено вопросам построения систем автоматизированного управлениятехническими системами и технологическими процессами на базе современныхпромышленных контроллеров.Рассматриваются принципы применения вычислительной техники в системахавтоматизированного управления. В первой главе рассмотрены основные компоненты систем управления, выделены вопросы защиты измерительной системы отвлияния электрических помех. Во второй главе рассмотрены устройство и принципы функционирования программируемых логических контроллеров с магистрально-модульной архитектурой соответствующих стандарту МЭК 61131. Приведены типовые электрические схемы модулей ввода-вывода информации, рассмотрены основные характеристики типовых модулей контроллера.

Третья глава посвящена общим принципам функционирования вычислительных сетей и использующихся для их построения последовательных интерфейсов. В четвёртой главеприведены принципы функционирования и основные технические характеристики популярных протоколов промышленных сетей.Предназначено для студентов старших курсов обучающихся по специальности «Управление и информатика в технических системах».ISBNИл.: 86. Табл.: 28. Библиогр.: 62 назв.Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университетаРецензенты: д-р техн. наук, проф.

С.Я. Галицков;д-р техн. наук, проф. М.Ю. Лившиц.© И.А. Данилушкин, 2007© Самарский государственный техническийуниверситет, 2007ISBN2ПРЕДИСЛОВИЕКомпьютерные технологии проникли практически во все сферы человеческой жизни. И, если первые компьютеры использовались исключительно для выполнения различных вычислений, то сейчас компьютер воспринимается в первуюочередь как средство для организации отдыха, развлечения и общения. Настоящееучебное пособие посвящено применению вычислительной техники в ещё однойобласти человеческой жизнедеятельности – области автоматизации техническихсистем и технологических процессов.

Рассмотрен круг вопросов связанных спринципами построения современных автоматизированных систем управления набазе промышленных контроллеров и систем распределённого сбора данных.В первой главе рассматриваются принципы и особенности применения вычислительной техники в системах управления технологическими процессами.

Набазе типовой структуры системы управления рассматриваются основные компоненты системы и их характеристики. Особое внимание посвящено вопросам объединения отдельных компонентов системы с помощью электрических проводников. Рассмотрены вопросы согласования сигналов и подбора входных и выходныхсопротивлений подключаемых устройств; защиты сигнальных проводов от воздействия электрических помех; выбора тока или напряжения в качестве носителяинформационного сигнала.Вторая глава посвящена вопросам аппаратной организации управляющихЭВМ.

Наиболее подробно рассмотрен такой класс управляющих ЭВМ, как магистрально-модульные программируемые логические контроллеры (ПЛК). Приведены сведения о возможных конструктивных исполнениях контроллеров на базеоткрытых и закрытых системных интерфейсов. Рассмотрены принципы функционирования ПЛК в соответствии с требованиями стандарта МЭК 61131: функциональная структура, принципы исполнения рабочего цикла, режимы работы, приведены основные функциональные характеристики модулей центрального процессора.

Для модулей дискретного и аналогового ввода-вывода приведены типовые функциональные и электрические схемы, варианты подключения датчиков иисполнительных устройств, их основные характеристики.В третьей главе рассматриваются общие принципы построения промышленных сетей: основные типы сетевых топологий, способы управления доступомк среде передачи, организация сетей на базе модели взаимодействия открытыхсистем. Достаточно часто на физическом уровне промышленных сетей используются последовательные интерфейсы. В учебном пособии приведены их технические характеристики, принципы организации асинхронной и синхронной передачи данных.3В четвёртой главе рассмотрены наиболее часто применяемые стандартыпромышленных сетей.

Приводятся сведения о технических и электрических характеристиках сетей, используемых методах кодирования и передачи данных;рассматривается реализация протокола доступа к среде передачи и форматы передаваемых сообщений. Каждый из рассмотренных стандартов имеет свою «изюминку» – оригинальное решение в одном из аспектов функционирования промышленных сетей. Например, протокол Modbus абстрагировался от реализациифизического уровня, ограничившись только самыми общими требованиями, апротокол CAN использует для обмена данными исключительно широковещательные передачи.

Таким образом, знакомство с приведёнными в учебном пособиистандартами сетей позволит читателю в дальнейшем быстро разобраться с любымвновь встретившимся сетевым протоколом.Автор выражает благодарность своей жене и родителям, оказавшим неоценимую поддержку в процессе написания пособия; коллегам Колпащикову С.А. иСеренкову В.Е., чей практический опыт разработки и внедрения АСУ ТП позволил автору глубже разобраться во многих изложенных в пособии вопросах; заведующему кафедрой автоматики и управления в технических системах СамГТУ –проф. Рапопорту Э.Я., неустанно напоминавшему о необходимости довести начатое пособие до конца.Автор надеется, что данное учебное пособие окажется полезным при изучении дисциплин, рассматривающих современные средства промышленной автоматизации, а также на этапе становления специалиста по автоматизации при разработке его первой системы.41.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ1.1. РОЛЬ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В УПРАВЛЕНИИТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИПрименение вычислительной техники в автоматическом управлении – важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Промышленность, транспорт, системы связи и защита окружающей среды существенно зависят от компьютерных систем управления. Практически ни одна техническаясистема – от железной дороги до ядерного реактора – не работает без той илииной формы управления. ЭВМ играют здесь ключевую роль; во многих случаяхне существует реальной альтернативы компьютерному управлению процессами.Что же подразумевается под термином «процесс»? Физический процесс – этопоследовательная смена состояний объектов физического мира. Процессами вэтом смысле являются движение, химические реакции или теплообмен. Примерыпроцессов – промышленное или химическое производство, кондиционированиевоздуха в помещении (изменение физических параметров – температуры и влажности), движение транспортного средства (изменение его скорости и положения).Технический или технологический процесс – это процесс, физические переменные которого можно измерить и изменить техническими средствами [1].Разница между физическим и технологический процессом заключена в том,что физический процесс не обязательно должен управляться извне, а технологический процесс включает обработку информации для достижения заданной целевой функции.Любой физический процесс характеризуется входом и выходом в виде:• материальных компонентов;• энергии;• информации.Некоторые примеры приведены в табл.

1.1.В общем случае материальные компоненты (энергию и информацию) можнорассматривать как входные и выходные потоки, которые изменяются в ходе физических/технических процессов.Материалы и энергия являются основными составляющими физическогопроцесса. Информация – тоже неотъемлемая часть всякого процесса, однако,осознание этого факта произошло не так давно.51.Вход/выходВход материальныхресурсовВыход материальныхкомпонентов(продукции)Вход энергииВыход энергииВвод информацииВывод информацииТаблица 1.1.Примеры технологических процессовКондиционированиеХимический реакторвоздухаПотоки исходных реагентовОдин или несколько новыхпродуктовНагревание или охлаждениеПолучение тепла от реакцииУправление входными потокамиреагентов и дополнительнымнагревомИзмерение температуры,давления, интенсивностипотоков, концентрацииНагревание или охлаждениеИзлучение или поглощение теплаУправление температурой иинтенсивностью поступлениянагревающей/ охлаждающейжидкостиИзмерение температурыПроцесс производства (рис.

1.1) заключается в выпуске продукции из сырья ссоответствующими затратами (вводом) энергии. Входной информацией являютсятехнологические инструкции, выраженные в виде набора параметров, которыеможно явно контролировать. Выходная информация есть набор измеряемых переменных и параметров, которые описывают текущее состояние процесса и егоизменение. Большое количество информации заключено в самом конечном продукте. Информация, следовательно, есть не только данные для наблюдения иуправления, но и технологические и организационные процедуры вплоть до циркулирующих по кабинетам служебных документов и заявок на поставку.