Основные понятия и термины

Автоматизация технологических процессов состоит в том, что функции контроля и управления, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи о ходе техпроцесса, формируют управляющие сигналы, обеспечивающие функционирование технологического объекта (ТО) в оптимальном рабочем режиме.

1.

АСУТП – это совокупность аппаратных средств и их программного обеспечения, предназначенных для управления сложным ТО. АСУТП обеспечивает оптимальный уровень автоматизации сбора, накопления и переработки информации о техпроцессе и формирование таких управляющих воздействий на исполнительные устройства, что работа ТО происходит в оптимальном режиме.

УВМ – это совокупность управляющих устройств АСУТП, выполненных на базе микропроцессорной техники и составляющих конструктивное целое.

Иерархическая структура АСУТП обусловлена тем, что АСУТП реализует централизованное управление с помощью центральной УВМ (ЦУВМ).Однако ЦУВМ управляет исполнительными устройствами не непосредственно, а через локальные УВМ (ЛУВМ), каждая из которых отвечает за определенный участок техпроцесса ( см рис. 1,1).

УСО – устройства связи с объектом, входящие в состав УВМ, через которые управляющие сигналы УВМ поступают на управляемый ТО. Иногда в состав УСО включают также устройства обратной связи, через которые информация о параметрах ТО передается на УВМ. Наличие УСО является главным отличием УВМ от обычных микро-ЭВМ, решающих чисто вычислительные задачи.

2.

Информация – это процесс формирования, пересылки и регистрации сообщений, а также зарегистрированная совокупность сообщений.

Бит – двоичная единица информации, эталоном которой является информация, получаемая из опыта с двумя равновероятными исходами. Битом называют также минимальный объем записи информации на электронных или магнитных носителях, соответствующий двоичной единице или двоичному нулю.

Двоичный код – любой код, в котором используются только два символа, обозначаемые обычно 0 и 1.

Арифметический двоичный код – это позиционный весовой код, лежащий в основе двоичной системы исчисления. Вес разряда в нем равен 2ⁿ, где n – номер разряда.

Коды Грея – двоичные коды, служащие для обозначения чисел, причем обозначения соседних чисел различаются лишь одним кодовым символом.

Параллельная передача информациия – обмен информацией в виде двоичных кодовых комбинаций фиксированной длины, называемых словами.

Последовательная передача информации – обмен информацией побитно, когда биты слова пересылаются один за другим, начиная, например, с младшего бита.

Интерфейс – это совокупность правил обмена информацией между двумя соседними уровнями управления, а также совокупность проводов и иных технических средств, обеспечивающих такой обмен информацией. В настоящее время в АСУТП применяют почти исключительно стандартные интерфейсы.

Совокупность программ, устройств и проводов, которые обеспечивают обмен информацией в АСУТП в целом, называют промышленной информационной сетью.

Локальные сети АСУТП обычно построены по схеме ведущий – ведомый и употребляют интерфейс RS485 (см. рис. 2.4).

3.

Алгоритм функционирования – это математически обоснованное описание зависимости между управляющими (входными) и управляемыми (выходными) параметрами ТО; если он реализован в виде компьютерной программы, то называется моделью ТО.

Декомпозиция алгоритма – это расчленение алгоритма функционирования на отдельные математически однородные элементы, называемые типовыми звеньями. Модель ТО строится в виде совокупности типовых звеньев.

Аналитические методы моделирования базируются на знании законов природы, определяющих функционирование ТО. Аналитическая модель представляет ТО в виде совокупности динамических звеньев.

Динамическое звено описывает элемент ТО, в котором происходит однократное преобразование энергии, дифференциальным уравнением первого или второго порядка.

Многосвязная (многомерная) модель описывает сложный ТО с несколькими входами и выходами и с перекрестными связями между отдельными каналами.

Одномерная модель (канал) соответствует элементу ТО с одним входом и одним выходом.

Технологический цикл отображает циклическую последовательность сменяющих друг друга технологических операций. Для удобства описания технологический цикл делят на такты.

Циклограмма строится в виде таблицы, в строках которой перечислены все командные и исполнительные элементы ТО, а столбцы соответствуют тактам его технологического цикла ( см. рис. 3.1.)

Регрессия выходного параметра у на входной параметр х- это любая функция f(x), приближенно представляющая вероятностную зависимость у от х.

Полнофакторный эксперимент представляет собой цикл из 2^m экспериментов, где m- количество факторов, каждый из которых принимает в эксперименте либо максимальное, либо минимальное значение в заданном интервале. Остальные факторы, влияющие на поведение ТО, при этом поддерживаются неизменными.

4.

Алгоритмы управления определяют порядок подачи управляющих воздействий на исполнительные устройства АСУТП. Различают алгоритмы:

-стабилизации параметров техпроцесса при различных возмущениях;

-программного управления технологическим циклом;

автоматической оптимизации техпроцесса в ходе выполнения производственного задания.

Целевая функция – это строго сформулированная зависимость между параметрами техпроцесса и критерием его оптимальности.

Статическая оптимизация предполагает, что параметры оптимального функционирования техпроцесса определяются до его начала.

Динамическая оптимизация – это поиск оптимального режима во время выполнения технологическим объектом заданной производственной программы. При этом шагом оптимизации называют каждую очередную попытку изменения параметров в направлении оптимального режима.

Линейное программирование – это совокупность методов определения параметров оптимального режима в условиях, когда целевая функция и уравнения ограничений, действующих в управляемом техпроцессе, линейны.

Основная задача линейного программирования (см. §4.3.2):

- найти максимум функции F_ц=сх

- при условиях Ах≤b, х

- или найти минимум функции F_ц=-сх

- при условиях -Ах≥-b, x≥0.

При решении основной задачи линейного программирования симплексным методом уравнения ограничений представляют в виде (4.7).

Процедура симплексного метода основана на следующих положениях:

- совокупность точек в n-мерном пространстве Е_n, ограниченная вышеприведенными условиями, образует область решений поставленной задачи; каждую точку х=(х₁,х₂,…х_n) из указанной области принято именовать допустимым планом; точка, в которой достигается искомый экстремум заданной целевой функции, называется оптимальным планом;

- в пространстве Е_n область допустимых решений существует в виде многогранника решений , причем оптимальная точка ( оптимальный план) является одной из вершин многогранника решений; любые m линейно независимых векторов a_j(j=1,2,…n, m≤n), удовлетворяющих системе уравнений (4,7), порождают точку х=(b₁,b₂,…b_m,о,…о), являющуюся вершиной многогранника решений и называемую угловой точкой или опорным планом;

- оптимальная точка( оптимальный план) является одной из угловых, а потому при оптимизации симплексным методом переходят от одной угловой точки к другой таким образом , что при каждом переходе значение целевой функции обязательно увеличивается ( при поиске максимума целевой функции) или обязательно уменьшается (при поиске минимума).

Градиентные методы применяются, если выражение целевой функции или (и) уравнения ограничений техпроцесса являются нелинейными. Сущность градиентных методов заключается в том, что на каждом шаге оптимизации приращения управляющих параметров техпроцесса выбираются пропорциональными частным производным целевой функции по этим параметрам:

х_ij+1=х_ij±k_j i=1,2,…n,

где x_ij+1- значение i-го параметра на (j+1)-м шаге оптимизации;

x_ij-значение того же параметра на j-том шаге оптимизации;

k_j-коэффициент, определяющий величину шага на j-том шаге оптимизации, называемый также просто шагом;

∕ частная производная целевой функции F_ц по i-тому параметру x_i, соответствующая j-тому шагу оптимизации;

n- количество оптимизируемых параметров техпроцесса.

Признаком достижения оптимального режима является равенство нулю всех значений ∕ .

Удвоение шага - увеличение или уменьшение в 2 раза значения k_j без расчета новых значений ∕ с целью ускорения поиска оптимального режима и избежания рысканья.

Предельно допустимый оптимальный режим (предельное регулирование) – это оптимальный режим, который реализуется в одной из граничных точек области допустимых значений параметров техпроцесса, когда нужный экстремум целевой функции не может быть достигнут из-за имеющихся технологических ограничений. Типичным примером предельного регулирования является линейное программирование.

5.

Технологический цикл представляет собой циклически повторяющуюся последовательность сменяющих друг друга технологических операций.

Последовательностный автомат – управляющее устройство, обеспечивающее управление технологическим циклом. Такие автоматы обеспечивают управление последовательностью тактов работы ТО, причем выполнение отдельных тактов обычно связано с использованием информации, полученной по каналам обратной связи при выполнении предыдущих тактов .

Внутреннее состояние автомата – состояние элементов ЗУ в его составе.

Комбинационные схемы управления (комбинационные автоматы) – отдельные узлы управляющего устройства, выходные сигналы которых зависят только от комбинации входных сигналов, поступивших в текущем такте управления.

Единичный сигнал – сигнал высокого уровня потенциала, или замыкание контакта, или намагниченный участок магнитного носителя информации.

Нулевой сигнал – сигнал низкого уровня потенциала, или размыкание контакта, или ненамагниченный участок магнитного носителя информации.

Таблица истинности – таблица соответствия входных и выходных сигналов комбинационной схемы управления. По таблицам истинности получают выражения логических функций схем управления

Логическая ( булева) функция Y логических переменныхХ₁,Х_2,…Х_n – это выражение

Y=f(X₁,X₂,…X_n),

полученное путем выполнения над логическими переменными операций инверсии, дизъюнкции и конъюнкции. Логические функции являются алгоритмами управления комбинационных и последовательностных автоматов.

Метод Квайна – Мак-Класки – это регулярная процедура упрощения выражений логических функций путем выполнения над ними операций склеивания и поглощения (см. приложение 3), применяемая для автоматизации составления схем управления.

Метод последовательно-параллельных соединений при составлении релейно-контактных схем управления состоит в следующем:

- логическая инверсия (функция НЕ) реализуется размыкающим контактом реле, а логическое повторение – замыкающим контактом;

- логическое умножение (функция И) реализуется последовательным соединением контактов реле;

- логическое сложение (функция ИЛИ) реализуется параллельным соединением контактов реле.

Для дополнительного упрощения релейно-контактных схем применяются скобочные формы логических функций и мостиковые структуры схемных решений.

Логические элементы – это микросхемы малой степени интеграции, реализующие простейшие логические функции.

Триггер – элемент электронного ЗУ, характеризующийся двумя устойчивыми состояниями. С точки зрения теории информации это двоичный элемент памяти, способный запомнить либо единичный, либо нулевой сигнал, поступивший на его вход. Триггер – это стандартная ячейка ОЗУ, предназначенная для хранения информации не более 1 бит.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – это комбинационная часть последовательностного автомата, предназначенная для выполнения заданных арифметических и логических операций. Простейшие автоматы выполняют только логические операции.

Устройство формирования состояний (УФС) автомата задает операции, которые должно произвести АЛУ в текущем рабочем такте. Функционирование УФС зависит как от сигналов, формируемых в АЛУ (сигналов обратной связи), так и от содержимого кадра УП ( см.рис.5.8). В простейших автоматах управление от внешней УП не предусмотрено.

Гонка импульсов – это эффект неодновременного формирования выходных сигналов в ответ на одновременное изменение входных сигналов. Гонка импульсов приводит к кратковременному появлению ложных сигналов на выходах управляющего устройства при асинхронном формировании управляющих сигналов.

Асинхронное управление – способ управления, при котором входные сигналы считываются, а выходные сигналы формируются в произвольные моменты времени по мере поступления входных сигналов.

Синхронное управление – способ управления, при котором считывание входных и выдача сформированных выходных сигналов производится в определенные моменты времени, называемые временем обмена информацией. В остальное время, называемое временем счета (когда формируются новые выходные сигналы) считывание входных сигналов и выдача выходных сигналов не производится. Синхронный и асинхронный способы управления сочетаются с помощью операций прерывания, когда прерывается рутинное течение синхронного процесса управления.

Синхронный триггер отличается от асинхронного триггера наличием тактового входа С (ср. рис.5.10 и 5.11), так что изменение состояния синхронного триггера возможно только после поступления синхронизирующего импульса на вход С. Синхронными триггерами являются наиболее важные виды триггеров: D-триггер, Т-триггер и JK-триггер (см. рис. 5.12. и 5.13).

Регистр – электронное устройство памяти, состоящее из группы триггеров, объединенных общим управлением, и предназначенное для записи, хранения и выдачи информации. По своему основному назначению регистры подразделяются на регистры сдвига, регистры хранения и счетные регистры (см. рис. 5.14.-5.16).

Счетчики (счетные регистры) отличаются тем, что помимо функций записи, хранения и выдачи информации выполняют функцию счета поступающих на них импульсов.

Преобразователь кода – комбинационная схема, преобразующая двоичный код входных сигналов в заданный код ее выходных сигналов. В качестве примера укажем на преобразователь кода Грея в двоичный арифметический код (см. §5.4). Преобразователь кода, преобразующий двоичный входной код в единичный код на его выходах, называется дешифратором (см. рис. 5.18. и 5.19).

Сумматор – комбинационная схема, предназначенная для сложения и вычитания (в дополнительном коде) двух чисел, представленных в двоичной системе исчисления (см. рис. 5.20. и 5.21).

Схема алгоритма управления технологическим циклом состоит из прямоугольников и ромбов. Прямоугольники служат для отображения арифметических операций и операций с памятью, а ромбы служат для задания логических условий. Графические элементы схемы алгоритма соединяют стрелками, указывающими точную последовательность выполняемых операций (см. рис. 5.22 и 5.23).

6.

Техническое, программное, и информационное обеспечение – основные задачи проектирования АСУТП.

Техническое обеспечение включает в себя выбор комплекса типовых технических средств, необходимых для реализации заданных функций АСУТП, и проектирование необходимого специального оборудования.

Программное обеспечение подразделяется на системное (операционные системы и системы управления базами данных), инструментальное (системы автоматизированного проектирования и разработки УП) и прикладное (совокупность УП).

Информационное обеспечение – это единая система технологической, технико-экономической и справочной информации, обеспечивающая нормальное функционирование АСУТП.

Этапы разработки АСУТП: разработка технического задания, выполнение технического проекта, создание рабочего проекта, процесс внедрения в производство.

7.

Система программного управления (СПУ) – это АСУТП, которая обеспечивает управление ТО по заранее подготовленной и введенной в УВМ на специальном программоносителе программе, включая программу управления технологическим циклом.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) – выпускаемое серийно управляющее устройство, построенное на базе микро-ЭВМ и предназначенное преимущественно для управления технологическим циклом. Имеет модульную конструкцию.

УЧПУ – комплектная система числового программного управления (ЧПУ), построенная на базе компьютера. В УЧПУ величины перемещений рабочих органов и другие параметры техпроцесса задаются в числовой форме.

Гибкая производственная система (ГПС) – наиболее сложный и разветвленный вид СПУ, решающий, помимо задач АСУТП, задачи САПР, АСТПП и текущего планирования. Состоит из ЦУВМ и гибких производственных модулей (ГПМ).

Локальные СПУ – это ПК и УЧПУ, управляющие отдельными ГПМ.

Основные функции локальных СПУ: централизованный контроль, регулирование техпроцесса, включая следящее управление перемещениями, программно-логическое управление технологическим циклом, ввод и отображение информации, включая УП, обмен информацией, диагностика СПУ и основного оборудования.

Основные модули в составе ПЛК: микропроцессорный модуль, интерфейсы связи с ЦУВМ и ЛУВМ, дискретные и аналоговые модули ввода-вывода, программатор, модуль питания и др.

Языки символического кодирования ПЛК строятся в соответствии со стандартом IEC 61131-3 и включают в себя:

- язык «лестничных диаграмм» LD, или язык РКС;

- язык набора инструкций IL, или язык булевых логических формул;

- еще три языка кодирования, более сложных.

Линейная интерполяция – задание и отработка перемещения рабочих органов по прямой между заданными опорными точками.

Круговая интерполяция – задание и отработка перемещения рабочих органов по окружности. Помимо координат начала и конца программируемой дуги, при круговой интерполяции задают также координаты центра окружности, часть которой составляет данная дуга.

Эквидистанта – траектория перемещения инструмента, заданная с учетом габаритов последнего.

Программное обеспечение УЧПУ делится на системное, инструментальное и прикладное. Управляющие программы (УП) создаются с помощью инструментального программного обеспечения, входящего в комплект программного обеспечения УЧПУ, и составляют прикладное программное обеспечение.

ISO-7 – стандартизированный на международном уровне язык программирования УЧПУ. В коде ISO-7 программа строится в виде последовательности кадров, каждый кадр - из последовательности слов. Первый символ каждого слова – латинская буква, а остальные символы являются арабскими цифрами.

Исполнительные устройства УЧПУ подразделяются на устройства с цикловым управлением, обеспечивающим лишь включение и отключение исполнительных механизмов, с позиционным управлением, обеспечивающим позиционирование, т.е. вывод исполнительного механизма в заданную точку и фиксацию его в этой точке. Наиболее сложны исполнительные устройства с контурным управлением, обеспечивающим перемещение исполнительных механизмов по произвольным траекториям с заданной точностью отработки траектории.