Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 2

Этот видинформации также важен, как и любой другой элемент, обеспечивающий нормальный ход и оптимизацию производственного процесса.Информация – важнейший компонент управления физическимипроцессами, поскольку она позволяет лучше использовать два другихслагаемых процесса – материю и энергию.Компьютеры, собственно, и предназначены для обработки информации, втом числе и относящейся к техническим процессам. В большинстве случаев компьютеры выполняют две основные функции: во-первых, контролируют, находятсяли параметры технического процесса в заданных пределах, и, во-вторых, инициируют соответствующие управляющие воздействия, чтобы параметры оставались вэтих пределах даже при наличии внешних возмущений.6внешняя средавозмущениявводсырьявыходпродуктатехнологическийпроцессвводэнергиивводинформациивыходэнергиивыводинформациивыводвводкомпьютер1.Рис.

1.1. Применение компьютера в управлении процессомВ качестве внешних возмущений выступают посторонние по отношению кцели процесса факторы, которыми нельзя управлять, но которые оказывают влияние на процесс. Эти факторы отклоняют процесс от штатного рабочего режима.Возмущения сами по себе не являются физическими величинами, а проявляются ввиде случайных флуктуаций в потоках материалов, энергии и информации.Управление технологическим процессом отличается от обычной обработкиданных. В таких приложениях, как бухгалтерский счёт или редактирование текста, и вход, и выход представляют собой данные в чистом виде, т.е. их можнохранить или передавать с помощью любого носителя информации. В этом случаевремя обработки зависит только от производительности компьютера, а результатбудет всегда один и тот же.Ситуация меняется в случае управляющих компьютеров. Здесь обработкаданных не должна зависеть от компьютера и его производительности, а, напротив,должна следовать за событиями во внешнем мире, т.е.

за процессом. Компьютерная система управления должна достаточно быстро реагировать на внешние события и постоянно обрабатывать поток входных данных, чаще всего не имея возможности изменить их количество или скорость поступления. Одновременно может потребоваться и выполнение других операций, например обмен информациейс оператором, вывод данных на экран и реакция на определённые сигналы. Этотрежим обработки данных оказался настолько важным, что получил специальноеназвание – режим реального времени (real-time mode).1.2. ОСОБЕННОСТИ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯПод «особенностями» систем цифрового управления обычно понимают преимущества, которые даёт использование ЭВМ в автоматическом управлении, и7недостатки, о которых необходимо знать и которые должны учитываться при разработке автоматических систем.Первые шаги в использовании ЭВМ для реализации автоматических системуправления были сделаны применительно к задачам управления последовательностью событий.

Например, приготовление смеси: залить компонент А до уровняh1; залить компонент Б до уровня h2; перемешивать 5 минут; слить готовую смесь.Такие задачи раньше решались с помощью реализации логики переключений нарелейных схемах. Поскольку внесение изменений в электрическую схему болеетрудоёмкая задача, чем перепрограммирование, то здесь ЭВМ сразу же оказалисьна своём месте.Однако, помимо задач управления последовательностью событий, есть идругие задачи, требующие автоматического управления – это задачи регулирования аналоговых параметров: расходов, давлений, температур и т.п. И в этой области использование ЭВМ наталкивается на ряд ограничений, связанных с дискретным представлением информации и особенностью её обработки.

Изучениемвопросов дискретного управления занимается теория дискретных систем автоматического управления [2–4]. Попытаемся на примере рассмотреть те подводныекамни, которые могут ожидать при использовании ЭВМ в задачах управления.Рассмотрим систему круиз-контроля современного автомобиля. Задача, которую решает система – поддержание постоянной скорости движения. Когда машина движется по горизонтальной поверхности – достаточно держать на заданномуровне расход топлива. Но, движение под гору, в гору, встречный и попутный ветер, качество дорожного покрытия приводят к изменению скорости автомобиля.Следовательно, необходимо постоянно сравнивать текущую скорость движения сзаданной скоростью и, если текущая скорость стала меньше, необходимо увеличить подачу топлива, если больше – снизить (см.

рис. 1.2). В идеале выполнятьсравнение нужно непрерывно, однако, ЭВМ требуется некоторое время для преобразования сигнала с датчика текущей скорости в цифровой сигнал, выполнениярасчёта управляющего воздействия и формирования сигнала для управления подачей топлива.

ЭВМ цикл за циклом последовательно выполняет измерение –расчёт – формирование, поэтому измерение скорости и изменение расхода топлива происходит только в дискретные моменты времени.2.Рис. 1.2. Возмущения, вносимые внешней средой в скорость движения автомобиля8Процедура преобразования аналогового сигнала в цифровой, приводит к появлению погрешности измерения аналоговых сигналов (дискретизация по уровню), что, в общем, должно учитываться при разработке алгоритмов управления.Дискретизация (квантование) по времени, связанная с преобразованиемвходных/выходных сигналов и выполнением программы приводит к «отставанию» ЭВМ от реального процесса.

Если отставание окажется достаточно большим, то система не сможет правильно реагировать в условиях быстро меняющейся ситуации, что приведёт к выходу из строя объекта управления.Например, в момент t1 (рис. 1.3), по результатам измерения скорости автомобиля, движущегося в гору, принимается решение увеличить подачу топлива, ноиз-за долгого времени выполнения алгоритма, управляющее воздействие будетвыдано в момент t2, из-за чего произойдёт увеличение скорости при движении подгору, что может привести к аварии.3.Рис. 1.3. Иллюстрация к режиму реального времениТаким образом, от управляющей ЭВМ требуется достаточная скорость реакции, определяемая динамикой объекта управления.Ещё один недостаток цифровой системы управления – последовательная обработка информации, что входит в противоречие с «параллельностью» процессовокружающего нас реального мира.

Все события вокруг нас, мы сами и фактическилюбые физические процессы можно представить в виде множества «подпроцессов», которые протекают параллельно.Эта проблема успешно решается за счёт специального способа построенияпрограммного обеспечения управляющей ЭВМ.1.3. ТИПОВАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯВ общем случае система цифрового управления физическим/техническимпроцессом состоит из следующих компонентов (рис. 1.4) [1]:• управляющая ЭВМ (УВМ);• каналы обмена информацией;9• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП);• датчики и исполнительные механизмы;• сам физический/технический процесс.аналоговыесигналыдатчики иисполнительныемеханизмыцифровыеданныеАЦП и ЦАПсетевойинтерфейсцифровые сигналысеть передачиданных илисистемная шинафизический/техническийпроцесс4.управляющаяЭВМРис.

1.4. Основная структура системы цифрового управления процессомФизический процесс контролируется с помощью датчиков, т.е. устройств,преобразующих физические параметры процесса (температуру, давление или координаты) в электрические величины, которые можно непосредственно измерить(сопротивление, ток или разность потенциалов). Непосредственное влияние напроцесс осуществляется с помощью исполнительных механизмов. Они преобразуют электрические сигналы в физические воздействия, главным образом движение – перемещение или вращение, которые можно использовать для разных целей, например, для открытия или закрытия заслонки.Цифровые системы управления работают только с информацией, представленной в цифровой форме, поэтому полученные в результате измерений электрические величины необходимо обработать с помощью АЦП.

Обратная операция –управление исполнительными механизмами – несколько проще, поскольку компьютер может непосредственно вырабатывать электрические сигналы.Информация от удалённых объектов через каналы связи поступает к управляющему компьютеру, который:• интерпретирует все поступающие от физического процесса данные;• принимает решения в соответствии с алгоритмами программ обработки;• посылает управляющие сигналы;• обменивается информацией с человеком-оператором и реагирует на егокоманды.101.4. КОМПОНЕНТЫ ИНТЕРФЕЙСА МЕЖДУ ПРОЦЕССОМ ИУПРАВЛЯЮЩИМ КОМПЬЮТЕРОМОбщая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютером показана на рис.

1.5. Хотя на практике используются разнообразные датчики,исполнительные механизмы и согласующие устройства, основная структура интерфейса всегда одна и та же.операторфизический/технический процессдатчикиисполнительныемеханизмы5.согласованиевходныхсигналовсогласованиевыходныхсигналоввходнойинтерфейскомпьютеравыходнойинтерфейскомпьютерауправляющийкомпьютерРис. 1.5. Общая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютеромДатчики (первичные измерительные преобразователи)Для большинства физических величин существует множество измерительных технологий, характеризуемых зависимостью между вырабатываемым сигналом и измеряемой величиной. Датчик или первичный преобразователь состоит издвух частей: чувствительного элемента и измерительного преобразователя.Результат измерения – это «реакция чувствительного элемента», которая навыходе датчика представляет собой электрическую величину, распространяющуюся дальше по проводнику.

Иногда в качестве выходного сигнала используется пневматический сигнал.Главное достоинство электрических датчиков – это гибкость и разнообразиеспособов обработки сигнала. Следует отметить, что электрический сигнал можнопередавать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии. Пневматические датчики, по сравнению с электрическими, обычно дешевле, меньше поразмерам, проще и нечувствительны к возмущениям. Более того, в условияхвзрыво- и пожароопасной среды пневматические датчики более безопасны, чемэлектрические.Различают три класса датчиков:• аналоговые датчики, т.е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;• бинарные (двоичные, дискретные) датчики, которые вырабатывают сигналтолько двух уровней «включено/выключено» (иначе говоря, «0» или «1»);11• цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово.Исполнительные устройства и исполнительные механизмыИсполнительные устройства и механизмы преобразуют электрическую энергию в механическую или физическую величину для воздействия на управляемыйпроцесс.

Как уже говорилось, исполнительные механизмы служат для преобразования электрической энергии в движение. В качестве исполнительных механизмов чаще всего выступают электродвигатели, которые используются в роли приводов насосов и вентиляторов, применяются для перемещения манипуляторов роботов и т.п.

К исполнительным механизмам относят и электромагнитные клапаны, где в качестве привода используется соленоид.Исполнительные устройства используются для преобразования электрической энергии в другие виды энергии (индукционные печи, печи сопротивления,микроволновые печи, лазеры). Для работы исполнительных механизмов обычнотребуется электроэнергия большой мощности, подачей которой управляет такжеисполнительное устройство, поэтому понятие «исполнительное устройство» является обобщающим.Следует отметить, что исполнительные устройства лишь опосредованно влияют на параметры физических процессов, измеряемые датчиками. Например, датчики измеряют температуру, а исполнительные устройства управляют подводом тепла. И уже от динамических характеристик физическойсистемы зависит, как измеряемые величины изменятся из-за управляющих воздействий исполнительных устройств.Требования к исполнительным устройствам – потребляемая мощность, разрешающая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон и т.д.